Текст
                    И. В. АРНОЛЬД
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ
АРИФМЕТИКА
УТВЕРЖДЕНО ВСЕСОЮЗНЫМ КОМИТЕ-
КОМИТЕТОМ ПО ДЕЛАМ ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ В
КАЧЕСТВЕ УЧЕБНОГО ПОСОБИЯ ДЛЯ
ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИХ ФАКУЛЬ-
ФАКУЛЬТЕТОВ ПЕДАГОГИЧЕСКИХ ИНСТИТУТОВ.
ГОСУДАРСТВЕННОЕ
уЧЕБНО-ПЕДАГОГИЧЕСКОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО
МОСКВА 1938


511 A -84 Отв. редактор А. В. Зансо\ов. Техн. редактор В. Якунина. Сдано в набор 20/VIb 1937 г. Подписано к печати 3I/X1I 1937 г. Формат бумаги 60X92%. Бумага 60X^2 камской фабрики. Тираж 10000 экз. Над. листов 30. Бум. листов 15. Авт. лист. 3*2,82, Тип- зн. в 1 бум. листе 101184. Цена 4 руб. 90 коп. Переплет 1 руб. 50 коп. Учпедгиз № 9645. У-3- Заказ № 1747. Уполи. Главлита № Б—29218. . Набрано во 2-й типографии Огиза РСФСР треста^ .Полиграф^ .Платный Д»оР- А. М. Горького. Ленинград, Гатчинская, 26- Отпечатано с матриц в 1-й тип. Лен облисполкома и Совета 2-я Советская. 7. Лэка* № •
ПРЕДИСЛОВИЕ. Что в этой книге содержится, как она написана и какие тре- требования предъявляет к читателю? Начну с последнего. Предполагается прежде всего, что чита- читатель владеет элементарной математикой в объеме курса средней школы. В некоторых главах от читателя требуется сверх того знакомство с теорией пределов и с понятием функции, скажем, такое, какое дается во всяком курсе математического анализа. Этим требования к читателю в отношении его математических знаний исчерпываются. Но зато сравнительно большие требова- требования предъявляются к уровню его математического развития. Са- мый характер трактуемых вопросов предполагает наличие у чи- читателя довольно значительных навыков в области абстрактного логического мышления и умения ориентироваться в методологи- методологической стороне дела. С другой стороны, я старался вести изло- изложение так, чтобы систематическая самостоятельная работа нат зтой книгой могла содействовать, в свою очередь, развитию \ читателя указанных навыков и ориентировки. Теперь о содержании книги. Она состоит из двух частей — учения о числе в его последовательных обобщениях и начальн глав теории чисел в обычнс смысле слова. Объединение это1 несколько разнородного материала в одной книге обусловл, стремлением включить в книгу весь материал арифметической части „Специального курса элементарной математики", входящего, согласно действующей программе, как обязательный предм в учебный план педвузов. Этим объясняется и несколько от аи- чающийся от обычного характер изложения в последних двух главах книги (более детальное изложение вопросов об общем наибольшем делителе и наименьше*™ кратном, о признаках де- делимости и дрЛ, а также и включение в первую часть вопросов, непосредственно к развитию понятия числа отношения не имею- имеющих (теории показательной и логарифмической функций и в связи с этим некоторых общих теорем теории функций действитель- действительного переменного).
Основная же часть книги, как сказано, отведена учению о числе. Здесь читатель найдет, во-первых, ставшие уже в вопросах обоснования понятия о числе классическими:теорию количествен- количественного натурального числа по Кантору, теорию натуральных чисел н двустороннего натурального ряда Грассмана, теорию пар для введения отрицательных, дробных и комплексных чисел, теорию сечений Дедекинда, сходящихся последовательностей Кантора и примыкающие к ним теории степенной, показательной и лога- логарифмической функций; далее, краткие сведения о трансфинит- трансфинитных числах, излагаемые в связи с учением о натуральном числе, теорию кватернионов в геометрическом изложении и элементар- элементарные сведения из теории гиперкомплексных чисел в объеме, необ- необходимом для доказательства теоремы Фробениуса, в известном смысле завершающей учение о числовом поле в его связи с обоб- обобщением понятия о числе. Весь перечисленный материал выделен в тексте так, что чита- читатель, желающий ознакомиться стой или иной теорией вне зависи- зависимости от основной нити изложения, может, отвлекаясь от отдель- отдельных вводных фраз, непосредственно приняться за чтение соот- соответствующих параграфов книги. В особенности это относится к § 1—4, 12, 13, 17, 19—23, 36—41, 46—50, 58—67, 69, 73, ©—81, 90, 102, 106—121. Такое выделение, естественное для книги, содержащей изло- изложение большого числа разнородных по своему содержанию вопро- вопросов, обусловлено также и тем, что остальная часть ее содержит материал, повидимому, впервые включаемый в систематический курс теоретической арифметики и уже потому не могущий пре- претендовать на вхождение в общепринятый минимум сведений по этому курсу. Это прежде всего относится к операторной теории числа и измерения и к примыкающей к ней теории операций высших ступеней (включая и теорему Абеля), затем к теории е-приближе- ний, теории натуральной показательной функции, а также к уче- учению о делимости, в котором в основу положены понятие о наи меньшем кратном (а не о наибольшем общем делителе, как обычно) и отношение делимости для дробных чисел. Имея в виду сравни- сравнительную элементарность вопросов, я позволил себе не наводить литературных справок и потому лишен возможности сослаться на какие-либо литературные источники по указанным пунктам, за исключением разве указанных в тексте работ Гамильтона, от которых ведет свое начало операторная теория числа. Сюда же в известкой мере относится и несколько отличаю- отличающееся от обычного изложение теории количественного натураль- 4 -—
ного числа, в котором я преследовал методологическую и частично методическую цель установления непосредственной связи между принципом полной индукции и определением конечности множе- множества, чтобы лишь на следующей ступени абстракции установить систему аксиом Пеано. Несколько особое положение занимает также небольшая ме- методологическая экскурсия в область философских споров сравни- сравнительно недавнего происхождения, связанных с так называемым „интуиционизмом11. Ни на что большее, кроме беглого ознакомле- ознакомления читателя с постановкой вопроса, эта часть не претендует; предъявляя здесь, быть может, и более высокие требования к читателю, чем в остальных частях книги, автор не считал воз- возможным просто обойти молчанием обстоятельства, имеющие фундаментальное значение в вопросах обоснования арифметики. Положенные в основу методологические установки, из которых и вытекал выбор того, а не иного способа изложения, опреде- определяются общим стремлением с моей стороны установить связь между формальной стороной и тем конкретным содержанием по- понятия числа, которое обусловлено его ролью в изучении тех или иных конкретных величин, тех или иных количественных соот- соотношений действительности. Изложение теории натурального числа, принятое в главах I и Н, и последовательное проведение операторной точки зрения позволяют, по моему мнению, осветить возникающие в связи с ука- указанной установкой методологические вопросы с большей ясностью, нежели это было бы возможно в пределах классических фор- формальных теорий. Кроме того, я считал, что с точки зрения инте- интересов читателя здесь следовало предпочесть проникнутое опре- определенным мировоззрением изложение более, быть может, легкому и менее ответственному сухому перечислению математических фактов. В этих двух обстоятельствах я видел достаточное оправ- оправдание для включения указанных выше вопросов и указанных методов изложения в книгу, предназначенную для заполнения весьма существенного пробела в нашей учебной литературе. Москва, июнь 1937 г, И. Арнольд.
ОГЛАВЛЕНИЕ. Предисловие . Введение . . Стр. 3 9 Глава L Количественные натуральные числа. § 1. Счет 13 § 2. Множества 13 § 3. Равномощные множества . . 15 § 4. Классы равномощных мно- множеств и количественные числа 16 § 5. Конкретный смысл числовых соотношений 18 § 6. Конкретные заместители аб- абстрактного понятия о числе. 19 § 7. Процесс счета и переход к абстрактной формулировке арифметических положений. 20 $ 8. Основные операции над мно- множествами и над количествен- количественными числами в теории Кан- Кантора 21 § 9. Бесконечные множества и трансфинитные количествен- количественные числа 24 $ Ю. Необходимость логической характеристики конечны* множеств 27 §11. Логическая характеристика индивидуальных классов равиомощ: ых множеств . . 28 § 12. Конечные множества .... 29 ^ 13. Принцип полной индукции. 30 § 14. Принцип полной индукции и суждения об открытых совокупностях 32 § 15w Свойства конечных мно- множеств и системы конеч- конечных количественных чисел. 39 § 16. Натуральный ряд как беско- бесконечная совокупность 45 Глава IL Порядковое натуральное число. § 17. Аксиоматика натурального . ряда. Сисгема аксиом Пеаио. 47 а Стр. § 18. Различные интерпретации системы аксиом Пеано ... 49 § 19. Метод индуктивных опреде- определений Грассмана 56 § 20. Теория арифметических дей- действий по Грассману 57 § 21. Сравнение натуральных чи- чисел в теории Гроссмана . . 63 § 22. Введение нуля 65 § 23. Отрицательные числа и тео- теория двустороннего натураль- натурального ряда 66 § 24. Порядковые трансфинитные числа 70 Глава III. Измерение скалярных величин и операторная теория рациональных чисел. § 25. Соотношения скалярного рас- расположения. Скалярные вели- величины 78 § 26. Числовая характеристика значений скалярной вели- величины 82 § 27. Числовая характеристика значений измеримых вели- величин 84 § 28. Аддитивные величины. За- Задача измерения 89 § 29. Операторная теория рацио- рациональных чисел 92 § 30. Аксиома Архимеда 99 § 31. Соизмеримые и несоизмери- несоизмеримые переходы 102 § 32. Действительные числа 105 § 33. Построение шкалы числовых отметок на основе процесса измерения ПО § 34. Классификация скалярных величин на основе критерия выполнимости операций . . 115 Глава IV. Теории пар. § 35. Переход к теории пар ... 118 § 36. Отрицательные числа как - пары положительных чисел. 120
Стр. § 37. Пары как числовые системы с двумя единицами 125 38. Включение положительных чисел в систему пар. Прин- Принцип перманентности 126 § 39. Общие свойства системы относительных чисел. Груп- Группа, кольцо, поле 130 > 40. Дробные числа как пары целых чисел 132 11. Система рациональных чисел как числовое поле 138 Глава V. Операторная теория действий третьей ступени. f 42. Постановка вопроса 140 43. Операторная теория возвы- возвышения в степень с дробным показателем 14Э 44. Мультипликативное (лога- (логарифмическое) измерение . . 151 45. Операции высших ступеней. 156 Глава VI. Действительные» числа. Постановка вопроса 161 Рациональная числовая пря- прямая 163 Определение непрерывности по Дедекипду 164 Отсутствие непрерывности в системе рациональных чи- чисел Введение иррациональных чисел. Непрерывность си- системы действительных чи- чисел Теорема сб ограниченных монотонных последователь- последовательностях. Точные границы ограниченного множества. . 174 Теорема о промежуточных значениях непрерывной фун- функции 176 Метод конечного покрытия и метод деления проме- промежутка 180 Теорема Вейерштрасса о пре- предельней точке ограниченного множества 184 Теорема о равномерной не- непрерывности 185 Теорема Вейерштрасса о достижении непрерывной функцией своих точных гра- границ 189 Замечания о теоремах суще- существования 190 § 46. § 47. § 48. ' 49. 3 50. 166 168 ^ 51. " 52. с эЗ. 54. 55. § 57 Стр. § 58. Всюду плотные множества и их сечения 192 § 59. Основная лемма 195 § 60. Двойные последовательно- последовательности и бесконечные десятич- десятичные дроби 197 § 61. Основные операции в обла- области действительных чисел . 200 Глава VII. Степенная, показательная и лога- логарифмическая функции. § 62. Операция извлечения корня. Степенная функция 206 § 63. Показательная функция.. . . 208 § 64. Логарифмическая * функция. 212 § 65. Общие теоремы о ^ взаимно- обратных функциях 214 § 66. Замечаш я о многозначных операциях 217 § 67. Функциональные уравнения, определяющие показатель- показательную, степенную и логариф- логарифмическую функции 220 § 68. Теорема Абеля об ассоциа- ассоциативных операциях 223 § 69. Натуральная показательная функция и натуральный ло- логарифм 234 Глава VIII. Определение действительных чисел с помощью их рациональ- рациональных приближений. § 70. Постановка вопроса. Фунда- Фундаментальное неравенство . . 259 § 71. Теория е-приб лишений. . . . 264 § 72. Операции над действитель- действительными числами, определен- определенными системами е-прибли- жепий 269 Глава IX. Теория сходящихся после- последовательностей Кантора. § 73. Критерий сходимости Коши и его использование Канто- Кантором 277 § 74. Связь с теорией е-прибли- жепий 282 § 75. Критерий сходимости Коши с точки зрения теории Де- декиида 284 § 76. Теория действительных чи- чисел по Кантору 286 § 77. Сечения п области рацио- рациональных чисел с точки зре- зрения теории Кантора 292 7
Стр. §78. Непрерывность системы дей- действительных чисел в форму- формулировке Кантора 293 § 79. Операции третьей ступени. 295 § 80. Мощность системы действи- действительных чисел 299 Глава X. Комплексные числа. § 81. Введение 307 § 82. Комплексные числа как опе- операторы 311 § 83. Основные действия над комплексными числами . . . 317 § 84* Возвышение в степень и извлечение корня 319 § 85. Координатная форма ком- комплексного числа 323 § 86. Действия над комплексными числами в координатной форме 328 § 87. Теория пределов в комплекс- комплексной области 333 § 88. Показательная и логарифми- логарифмическая функции 337 § 89. Переход к теории пар . . 344 § 90. Комплексные числа как пары действительных чисел. 346 Глава XI. Геометрическая теория кватернионов. § 91. Векторы-переходы в трех- трехмерном пространстве 351 § 92. Кватернионы как операторы. 352 § t3. Сложение кватернионов. Бек- торы-операторы 354 § 94. Умножение кватернионов. Версоры ' 358 § 95. Сферическая композиция.. . 360 § 96. Перемножение векторов- операторов 363 § 97. Формулы умножения ком- комплексных единиц /, у и k . . 364 § 98. Основные законы действий в алгебре кватернионов.. . . 365 § 99. Вращения вокруг осей в трехмерном пространстве . . 368 Глава XII. Числовые поля гиперком- гиперкомплексных чисел. § 100. Гип ер комплексные числа . 371 § 101. Теорема Фробениуса .... 375 Глава XIII. Стр. Делимость чисел. Разложение на простые множители. § 102. Предмет теории чисел. . . 3S1 § 103. Наименьшее общее кратное и наибольший общий дели- делитель двух чисел 382 § 104. Обобщения. Общий наиботь- ший делитель и наименьшее кратное нескольких чисел. 387 § 105. Линейные зависимости ме- между числами, связанные с величинами наименьшего кратного и наибольшего делителя нескольких чисел. 39* § 106. Алгорифм Евклида . * . . . 395 § 107. Непрерывные дроби и их простейшие приложения. Ре- Решение неопределенных урав- уравнений первой степени . . 39' § 108. Разложение на первоначаль- первоначальные множители. . . . 414 § 109. О простых числах 4L5 $• 110. Следствия теоремы о разло- разложении на простые множи- множители. Числовые функции [х] и ? (v) Глава XIV. Теория сравнений. §111. Понятие о сравнении. Классы равноостаточных чисел но данному модулю § 112. Основные свойства сравне- сравнений. Операции сложения и умножения по данному мо- модулю. Признаки делимости чисел 43" § ИЗ. Операция деления. Делители нуля. Приведенная система вычетов 44 § 114. Решение сравнений первой степени 4-1 § 115. Дроби по простому модулю. 44i> § 116. Теоремы Ферма и Эйлера. Приложения к решению сравнений первой степени. 450 § 117. Теорема Вильсона 1й ' § 118. О числе решений сравнений высших степеней 45" § 119. Степенные вычеты. Перво- Первообразные корни простого модуля 45" § 120. Теория индексов и ее при- приложения 46) § 121. Приложения теории степен- степенных вычетов к вопросам элементарной арифметики . 465 Предметный указатель 475 Список литературы 479
ВВЕДЕНИЕ. Развитие математики, начиная с середины прыгллго столе- столетия, шло под знаком особого внимания к вопросам обоснования. Мы будем предполагать в общих чертах известным читателю тот процесс, который характеризует в этом смысле развитие геометрической мысли и ее последний этап, отмеченный откры- открытием Лобачевского и последующей тщательной работой на а логическим обоснованием геометрии и установлением системы непротиворечивых геометрических аксиом. Аналогичная работа шла параллельно и в отношении логического обоснования мате- математического анализа, являющегося важнейшим орудием мате матического познания действительности. И в том и в другом случае основной, исходной базой логи- логических построений оказалось понятие числа. Логический анали арифметических понятий стал, таким образом, неотъемлемой частью указанного процесса, вызванного к жизни насущнейшей потребностью разобраться в недостаточно ясной с логической стороны структуре математических дисциплин, чрезвычаинс усложнившихся во время своего бурного роста в XVII и XVIII веках По пути анализа понятия числа удалось установить, что ря \ обобщений этого понятия, вызывавших сомнения методологи- методологического характера с самого начала своего возникновения, допу- допускает строгое логическое обоснование на основе понятия нату- натурального, т. е. целого положительного числа. Содержание этого утверждения распадается на две части,» существенно отличающиеся друг от друга. Во-первых, Гамильтоном (Hamilton) были установлены общие принципиальные основы, на которых может быть по- построена теория отрицательных и дробных рациональных чисел. если систему натуральных чисел считать заданной. На этой основе впоследствии были построены формальные теории, извест ные под именем „теорий пар", не оставляющие уже никаких про- пробелов в логическом переходе от понятия целого числа к дробным и отрицательным числам. На той же логической основе осуще- осуществляется и переход от понятия действительного числа к системе комплексных чисел, а также и дальнейшие обобщения (теория векторов в пространстве, теория кватернионов, гиперкомплекс- гиперкомплексные числа). В этой части задачи обоснования понятия числа основные пути логических построений, а также методологиче- методологический анализ смыслового значения последовательных обобщений
понятия числа восходят к фундаментальному сочинению Га- Гамильтона „Lectures on Quaternions", изданному в 1853 году. Около того же времени A857) Дедекин ду (Dedekind) и, не- независимо от него, несколько позже Мере (Мёгау) и Кантору (Cantor) удалось построить на логической основе теорию дей- действительных чисел. Отправным пунктом при этом служила система (положительных и отрицательных) рациональных чисел. В отличие от построений Гамильтона и примыкающих к нему теорий, носящих ярко выраженный алгебраический характер, мы встречаемся здесь с принципиально новым элементом по- построения-— анализом понятия непрерывности. Самая постановка вопроса и методы ее решения были здесь тесно связаны с соот- *етствующими проблемами математического анализа. Оставалось еще провести логический анализ и установить аксиомы, лежащие в основе понятия натурального числа. Первый шаг в этом направлении был сделан Германом Г ра сем а ном (Grassmann). В изданном им совместно с бра- братом Робертом в 1861 году учебнике арифметики содер- содержатся определения основных операций, достаточные для даль- дальнейших формальных построений, устанавливающих основные законы арифметических действий. В системе аксиом Грассмана понятие натурального числа отражено, однако, лишь в наиболее абстрактном аспекте порядкового числа, в котором система нату- натуральных чисел рассматривается лишь с точки зрения взаимного расположения их в натуральной последовательности 1, 2, 3, 4,... Дополняющий построение Грассмана анализ самого понятия числа как характеристики свойств множеств или собраний пред- предметов основан на фундаментальных работах основателя теории множеств Кантора, который обратил внимание на понятие взаимно-однозначного соответствия и на связанное с этим общее понятие мощности множеств. Далее, Кантор последова- гельно провел логическое разделение понятий количественного и порядкового числа, рассматривая наравне с конечными также и бесконечные множества и вводя для характеристики этих последних количественные и порядковые трансфинитные числа. Дальнейшие работы, связанные с именами Дедекинда, Пеано (Реапо), Фреге (Frege) и Р е с с е л я (Russel), могут быть, в известной мере, охарактеризованы как синтез построе- построений Грассмана и Кантора, в котором основной задачей являлось выделение класса конечных множеств и соответственно системы конечных чисел, составляющих предмет изучения обыкновенной арифметики. При этом выяснилась фундаментальная роль в этом как раз отношении принципа полной индукции, лежащем в основе построений Грассмана. Этот принцип или эквивалентное ему предложение используется для выделения класса конечных мно- множеств и входит, таким образом, как часть, во всякое определе- определение натурального числа. Несмотря на то, что построение теории натуральных чисел было доведено до высокой степени формальной законченности (и даже —для исключения интуиции —записано с помощью осо- особой системы логических обозначений, введенной Пеано и изве- 10
стной под названием „пазиграфии"), вопрос об обосновании арифметики, в частности, вопрос о непротиворечивости аксиом, нее же оставался открытым и после этих работ. В настоящее время не подлежит сомнению то обстоятель- обстоятельство, что вопрос этот не может быть разрешен в рамках чисто формальных арифметических теорий. С одной стороны, методологическая критика основных логи- логических понятий (уже в XX веке), связанная с именами Б р а у э р а {Brouwer) и В е й л я (Weyl) и известная под названием „интуицио- низма", весьма остро поставила вопрос о непротиворечивости системы аксиом арифметики и формальной логики и о смысле математических суждений вообще. Можно считать общепризнан- общепризнанным, что то сравнительно непринужденное обращение с основ- основными понятиями „множества", „соответствия", „все", „суще- „существует" и т. д., которое характеризует упомянутые выше работы Пеано, Фреге и Ресселя, во всяком случае нуждается в более глубоком обосновании и анализе, нежели тот, который возможен в рамках формальных логических построений. В частности, попытки одного из крупнейших математиков современности, Гильберта (Hilbert), поставить вопрос (в не- несколько иной плоскости) все же на формальную почву и дока- доказать этим путем основное положение о непротиворечивости систем аксиом логики и арифметики в их классической фор- формулировке до сих пор не увенчались успехом. Можно, вообще, думать, что лежащая в основе формальных построений точка зрения на математику как на процесс „писа- „писания некоторых знаков по определенным формальным правилам14 характеризует лишь некоторые внешние свойства структуры отдельных отрезков математических построений. В эту узкую схему не укладывается все многообразие применения в рамках даже самой математики методов содержательного, неформали- неформализованного мышления. Примечание. В отношении сравнительно недавно предложенного Г е и т- ц е н о м (Gentzen) *) решения проблемы непротиворечивости было бы прежде- преждевременным высказывать здесь какое-либо суждение. В применении к непосредственно интересующему нас вопросу об обосновании арифметики из изложенного следует, что, с одной стороны, сравнительно законченные формальные построения Грассмана и Пеано отражают лишь одну сторону дела. Приме- Применение непосредственного процесса счета и других содержа- содержательных методов рассуждения уже в рамках самой арифметики может выйти за пределы первоначальной формальной схемы. С другой стороны, и более широкая задача общего логического обоснования понятия количественного числа и соответствующих построений, относящихся ко множествам, приводит, как было указано выше, к неразрешенным методологическим проблемам общего характера, также выходящим за пределы чисто фор- формальной трактовки вопроса. l) G. Gentzen, Die Widerspruchsfreiheit der reinen Zahlentheorie, Mathema- tische Annalen, 112 A936), стр. 493—565. 11
Резюмируя, можно сказать, что вопрос об обосновании поня- понятия натурального числа в настоящее время еще далек от своего разрешения. Имея это в виду, мы в последующем элементарном изложе- изложении вопроса о натуральном числе ограничиваемся, оставаясь в рамках классических концепций Кантора, Пеано и Грассмана, следующими элементарными задачами: 1) установить понятие количественного числа в связи с во- вопросом о том, какие отношения действительности находят свое отражение в этом понятии, 2) установить свойства класса конечных множеств и соот- соответствующие свойства системы конечных количественных (нат> ральных) чисел, пользуясь принципом полной индукции^ рас- рассматриваемым как определений класса конечных множеств, 3) выделить те свойства системы натуральных чисел, кото- которые лежат в основе дальнейших формальных построений, соста- составляющих содержание грассмановскои теории порядкового числа. По этому плану и построены первые две главы настоящей книги. Составляющее предмет изложения дальнейших глав обобще- обобщение понятия числа уже не содержит добавочных осложнений по сравнению с теми, которые были только что указаны в от- отношении понятия натурального числа. В этом смысле оправды- оправдывается известное изречение Кронекера (Кгопескег) „Derliebe Gott schuf die ganze Zahl, alles iibrige ist Menschenwerk", которое и сам Кронекер вряд ли имел в виду понимать дословно.
ГЛАВА I. КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ НАТУРАЛЬНЫЕ ЧИСЛА. § 1. Счет. В простейших своих применениях к изучению действитель" ности натуральное целое положительное число выступает как результат счета предметов какой-либо совокупности. Процесс счета требует выполнения некоторых предпосылок психологического характера, относящихся к лицу, производя- производящему счет, и некоторых условий, которым должны удовлетворять совокупности, подвергаемые счету. Например, совокупности должны состоять из раздельных, не сливающихся между собой предметов; лицо, производящее счет, должно быть в состоянии отличать эти предметы друг от друга и от предметов, не под- подлежащих счету и т. п. На перечислении и исследовании такого рода предпосылок, так же как и на вопросе об историческом развитии процесса счета, мы сейчас останавливаться не будем. Мы попытаемся прежде всего выяснить, какие именно соотношения действи- действительности находят свое отражение в числовой характери- характеристике совокупностей или множеств предметов. § 2. Множества. Введем некоторые вспомогательные понятия. Рассматривая какие-либо предметы ау Ь, су ... , d как отдель- отдельную группу или совокупность, мы будем говорить, что имеется множество предметов а, Ь> с, ... , d, а самые эти предметы будем называть элементами этого множества. Принадлежность элемента а множеству М будем обозначать знаком включения ЛЛ (а включается в М, а есть элемент М). Если все элементы множества М включаются в множество N, то мы будем говорить, что М есть подмножество или часть множества N, и также писать MczN. Если при этом не все элементы N включаются в М, то мы б уде л называть М правильной частью N. 13
Задание какого-либо определенного множества осуществляется путем указания закона или правила, позволяющего судить о том, какие элементы включаются в определяемое множество и какие нет. Это правило может, в частности, сводиться к прямому перечислению элементов множества. Не останавливаясь на более детальном логическом анализе относящихся сюда вопросов, ограничимся простейшими при- примерами. 1. Множество букв на этой странице книги. 2. Множество всех букв русского алфавита. Слово „буква" имеет несколько различный смысл в этих двух примерах, как это часто бывает в обыденной речи. В первом случае буква „а" в первой строке и та же буква „а" в иной строке- различные элементы множества; во втором —речь идет о буквах как таковых, так что для задания множества простым пере числением достаточно однократное выписывание букв алфавита. Следующие множества могут быть образованы лишь на соот- соответствующей ступени абстракции. 3. Множество всех равносторонних треугольников. Здесь, очевидно, необходимо дополнительно указать, при каких условиях два равносторонних треугольника считаются различными, а при каких совпадающими элементами этого мно- множества. 4. Множество М всех множеств, число элементов которых равно двум. Элементами множества М служат здесь в свою очередь множества. Например, элементами М являются множество букв в слове „то", множество рук нормального человека, множество цифр в двуричной системе счисления и т. д. 5. Множество М нулей в десятичном разложении числа ?i = 3,141592... 6. Множество, состоящее из одного элемента а в том случа если в десятичном разложении числа w где-нибудь есть один надцать нулей под ряд, и из двух элементов а и Ъ — в противном случае. Образование такого рода множеств и применение к ним законов обычной логики (не вызывающих сомнений в отношении таких конечных множеств, от косвенного задания которых н трудно перейти к прямому перечислению элементов) приобрело в математике сыздавна права гражданства. Лишь сравнительно недавно было обращено внимание на то, что в отношении множеств, образованных на основе бесконеч- бесконечных процессов и не допускающих прямого перечисления эле- элементов, дело обстоит далеко не так просто. Мы вернемся к за- затронутому здесь вопросу в дальнейшем (§ 14). Для рассуждений, к которым мы сейчас переходим, доста- достаточно, если читатель будет вкладывать в понятие множества привычное ему содержание, охарактеризованное приведенным выше описательным определением. При этом в первую очередь речь будет итти о самых простых конечных»множествах, допу- допускающих прямое перечисление элементов. 14
§ 3. Равномощные множества. Мы будем говорить, что между двумя множествами М и Л/ установлено взаимно-однозначное соответствие, если каждому элементу множества М соответствует один и только один элемен г множества /V, и, обратно, каждый элемент множества N поста- поставлен в соответствие с одним и только одним элементом мно- множества М. Такое соответствие может осуществляться различными спо- способами, с помощью пространственных, временных или каких- либо других связей между элементами множеств (например, соответствующими могут считаться два предмета, расположен- расположенные рядом, друг над другом, появляющиеся или рассматривае- рассматриваемые одновременно или непосредственно один за другим, одина- одинаково обозначенные и т. п.). Два множества М и N, между элементами которых воз- возможно установить взаимно-однозначное соответствие, мы бу- будем называть равномощными и писать Примеры. 1. Множества начальных и конечных букв в стро ках данной страницы равномощны между собой. 2. Множество букв в слове „множество" равномощно с мно- множеством цифр 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9. 3. Множество всех четных положительных чисел и множество всех натуральных чисел суть равномощные множества. Для установления взаимно-однозначного соответствия достаточно в этом случае отнести натуральному числу п четное число 2/z. так что в двух бесконечных строчках 1, 2, 3, 4, 5, ... 2, 4, 6, 8, 10, ... соответствующие элементы находятся в одном столбце. Для того чтобы это утверждение не казалось слишком пара- парадоксальным, читателю следует иметь в виду, что равномощность характеризует, грубо говоря, „одинаковую составленность" мно- множеств из своих элементов. С этой точки зрения приведенный факт представляется вполне естественным. 4. Множество точек конечного отрезка / равномощно с мно- множеством точек, содержащихся в половине этого отрезка. Здесь соответствие можно осуществить геометрически, по- построив треугольник с основанием / и проектируя из противопо- противоположной вершины как из центра точки его средней линии на основание. Возможность установить взаимно-однозначное соответствие множества и его правильной части характеризует, как мы уви- увидим ниже, бесконечные множества. Для того чтобы получить некоторый навык в обращении с понятием о мощности в применении к бесконечным совокуп- совокупностям, читатель может уже сейчас прочитать первые стра- страницы § 80.
]5 4. Классы равно^ощных множеств и количественные числа. Путь, на который мы теперь станем для определения общего понятия о числе или количестве элементов множества, будет аналогичен следующей схеме установления общих понятий на основе процесса абстракции или отвлечения. Пусть имеется в виду ознакомить кого-либо или передать, сообщить кому-либо содержание некоторого общего понятия, скажем, для примера, понятия „растение". Можно с этой целью перечислить характерные свойства, которыми должны обладать предметы, включаемые нами в общий класс „растений". Но иногда приходится поступать и иначе. Если бы мы могли перечислить и показать собеседнику йсе те предметы, которые мы называем „растениями", то можно было бы сказать, что общее понятие „растечие" образуется путем отвлечения от индивидуальных отличий отдельных растений. Иначе говоря, понятие „расте- „растение" можно рассматривать как выражение совокупности свойств, обших всем предметам указанного класса и отличающих эти предметы от „не-растенпйи. Такому образованию понятий соответствует часто встре- встречающаяся в обыденной практике передача или „сообщение поня- понятий" путем многократных указаний на объекты имеющегося в виду класса. Так, например, понятие о „красном цвете" обычно передается многократными указаниями типа: „вот это красное", „вот это тоже красное", „а вот это не красное, это зеленое". Подчеркнем, что здесь речь идет" лишь о способе передачи понятия; в основе классификации лежат, конечно, объективные свойства изучаемых объектов. Естественно, что понятия, передаваемые указанным путем в обыденной жизни, обладают неизбежно некоторой расплывча- расплывчатостью, зависящей от того, что класс соответствующих объектов указывается не исчерпывающим образом. Экстраполяция, т. е. включение новых объектов в тот же класс, производится на основе практически, быть может, и достаточно опре- определенных, но все же не зафиксированных в явной форме при- признаков. Обойтись совершелно без понятий, вводимых этим путем, очевидно, нельзя. Цель, которая обычно преследуется при установлении основ- основных определений (аксиом) той или иной отрасли математики, требует сведения числа таких понятий к тому минимуму, без которого вообще невозможно говорить о логическом мышлении. При этом эти основные понятия стремятся выбрать так, чтобы можно было быть уверенным в том, что обычное словесное объяснение, сопровождаемое приведением примеров, обладает достаточной степенью практической определенности. Если предполагать, что такие основные понятия установлены, то дальнейшее введение новых понятий можно производить уже с помощью логических определении, исчерпывающим образом выделяющих тот класс объектов или ту группу свойств изучае- изучаемых объектов, которые характеризуются вводимым понятием. 16
Мы и ставим себе в настоящем параграфе такую цель в отно- отношении общего понятия количественного числа. При этом мы будем придерживаться той же общей схемы введения понятия путем абстракции. Именно, мы дадим опре- определение понятия числа не в стандартной, привычной читателю форме: „число есть то-то и то-то1', а на основе логических опре- определений, выполняющих роль указаний типа „вот тут речь идет о числе", „а вот здесь речь идет не о числе". Отличие от не вполне определенных понятий обыденной практики, вводимых путем многократных указаний, как раз и будет заключаться здесь в том, что заменяющие эти указания логические определения исчерпывающим образом будут выде- выделять те свойства изучаемых объектов, которым соответствует понятие числа. В этом смысле можно сказать, что это понятие будет уста- установлено уже с соблюдением тех требований полной определен- определенности, которые предъявляются ко вновь вводимым терминам в математике. При этом мы, согласно сказанному выше, будем вынуждены опираться на ряд других понятий, устанавливаемых иным путем и не подвергаемых здесь дальнейшему анализу. Все эти основ- основные понятия входят в упомянутый выше минимум, необходимый для того, чтобы вообще можно было говорить о логическом мышлении. В частности, мы будем опираться на понятия „тождества" и „различия", „соответствия" и „множества" и на основной аппарат логики, оставив пока в стороне все относящиеся к этим основным понятиям критические соображения принципиального характера, о которых шла речь во введении 1). Будем теперь рассматривать классы (совокупности) равно- мощных между собой множеств. Примером такого класса может служить, скажем, совокуп- совокупность всех множеств, равномощных с множеством букв а, Ьу с, dy e. В этот класс входят: множество пальцев на руке человека, множество диагоналей фигуры ф и др. Отдельные множества, входящие в такой класс, качественно различны между собой. Элементы одного множества, например, суть такие-то, определенные буквы, такого-то шрифта, разде- разделенные запятыми. Элементы другого — не-буквы, не разделены запятыми и т. ъ Отвлечемся от этих качественных особенностей, отличающих отдельные множества определенного класса друг от друга и рас- рассмотрим только те общие свойства этих множеств, которые от- отличают их от множеств других классов равномощных между собой множеств. Этим самым мы выделим в каждом из множеств данного класса лишь те внешние, безразличные по oi ношению к каче- качественному составу его черты, которые характеризуются его при- 1) Читателя, интересующегося подробностями по затронутым здесь вопросам, мы отсылаем к „Сборнику статей по философии математики* под ред. С. А Яновской (Учпедгиз Н*36). 2 Teoj'emuci-K; л ар м im;j—17-17 17
ипдлежностью к данному классу равномощных между собой множеств- Это и есть как раз те свойства, которые имеют в виду, когда говорят о количестве или числе элементов мно- множества. Описанный процесс мы рассматриваем здесь как определе- определение понятия о количестве или числе элементов множества, осно- основанное на понятии равномощности. С этой точки зрения было бы неправильным, например, в начале настоящего параграфа сказать, что мы рассматриваем класс множеств, „число" элемен- элементов которых одинаково и равно „числу" элементов множества я, Ъ, с, d, ey так как такая фраза предполагает уже наличие понятия числа. В противоположность этому суждение о коли- количестве или числе элементов какого-либо множества мы рас- рассматриваем, по определению, как суждение о принадлежности множества определенному классу равномощных множеств. Другими словами, понятие о числе или количестве элемен- элементов множества есть понятие о тех свойствах множества, кото- которые мы выделяем, рассматривая каждое множество с точки зрения его принадлежности определенному классу равномощ- равномощных множеств. Употребляя термин „количественный" в философском смысле противоположения „качественному", говорят, подчеркивая при- приводящий к понятию числа процесс отвлечения от качественных различий, что натуральное число есть общая количественная характеристика некоторого класса равномощных между собой множеств. Для того чтобы в дальнейших логических построениях избе- избежать несколько расплывчатого термина „количественная харак- характеристика", мы можем просто сказать,* что количественное число есть понятие о некотором классе равномощных между собой множеств. § 5. Конкретный смысл числовых соотношений. Согласно приведенному выше определению, все множества одного и того же класса имеют одну и ту же числовую харак- характеристику. Стало быть, свойства чисел являются не чем иным, как абстрактным выражением тех свойств конкретных множеств, которые не зависят от их качественного состава, а зависят только от их принадлежности определенному классу равномощ- равномощных множеств. Так, например, все множества, принадлежащие определен- определенному выше в § 4 классу, характеризующемуся числом 5, обла- обладают целым рядом общих свойств. Ни одно из этих множеств не может быть разбито на две равномощные между собой части^ Всякое множество этого класса превращается после отнятия одного элемента в множество, которое может быть разбито на две или четыре равномощные между собой части и т. п. Все такие свойства должны найти отражение в соответствующих арифметических свойствах числа 5, характеризующего рассмат- рассматриваемый класс. 18
Понятие о взаимно-однозначном соответствии позволяет нам установить критерий, отличающий свойства множеств, завися- зависящие от их качественного состава, от свойств, общих для всех множеств данного класса и в этом смысле от качественного состава не зависящих. Именно, свойства этого последнего рода, установленные для одного из множеств данного класса равномощных между собой множеств, имеют место и для всех других множеств того же класса. Такие свойства сохраняются, стало быть, при замене иножества любым равномощным с ним. Этот признак незави- независимости от качественного состава можно охарактеризовать, как инвариантность (неизменность) относительно взаимно-одно- взаимно-однозначного отображения (операции замены множеств им равно- мощными). Таким образом, на вопрос, поставленный в § 1, мы можем ответить так. Конкретным содержанием арифметических положений, выра- выраженных в форме той или иной связи между числами, являются инвариантные относительно взаимно-однозначного отображе- отображения свойства множеств. Установление основных свойств чисел, как будет ясно из даль- дальнейшего изложения, опирается исключительно на ту степень индивидуализации элементов множества, при которой стано- становится возможным применение понятий о „соответствии", о „тождестве* и „различии". При этом не важно, на осно- основании каких качественных отличий такая индивидуализация проведена. Умение судить о том, в каких случаях мы пользуемся лишь указанной здесь степенью индивидуализации элементов мно- множеств при оперировании с ними, сравнительно легко приобре- приобретается на практике. Это умение и лежит обычно в основе сужде- суждения о том, что мы имеем дело с теми или иными инвариант- инвариантными свойствами множеств, т. е. со свойствами, характеризуе- характеризуемыми понятием о числе элементов множества. § 6. Конкретные заместители абстрактного понятия о числе. Высказанное в предыдущем параграфе общее положение имеет многочисленные приложения. Так, например, производство арифметических операций с помощью подсобных конкретных множеств (пальцев руки, камешков, зарубок и, в более совер- совершенной форме, костяшек на счетах и т. п.) есть не что иное, как оперирование с некоторыми конкретными представителями классов равномощных множеств. Эти представители выступают здесь в роли конкретных заместителей абстрактного понятия о числе. Производство арифметических действий с помощью таких заместителей является вполне законным, поскольку при выводе не пользуются существенным образом индивидуальными каче- качественными особенностями избранных представителей, а опираются исключительно на те свойства этих конкретных множеств, кото- • 19
рыс являются у них общими со всеми другими равномощнымп им множествами. Полученные на основе такого опыта суждения носят коли- количественный характер в указанном выше смысле слова, являются инвариантными относительно взаимно-однозначного отображе- отображения и потом} могут быть перенесены на любые равномощные совокупности иного качественного состава. Согласно с этим, начальная стадия изучения количественных свойств множеств состоит в следующем: 1) устанавливается вза- взаимно-однозначное соответствие между исследуемыми конкрет- конкретными множествами и некоторым стандартным множеством, выделяемым по тем или иным практическим соображениям: не- неизменность, доступность опыту и т. п. (множество зарубок, мно- множество пальцев, бусинок на четках и др.); 2) опыт, относящийся к этим выделенным множествам, используется для установле- установления количественных соотношений в области исследуемых кон- конкретных множеств, не подвергавшихся непосредственному экспе- эксперименту. Здесь мы имеем, стало быть, дело уже с примитивлой фор- формой научного предсказания, т. е. с одним из элементов науч- научного познания действительности. § 7. Процесс счета и переход к абстрактной формулировке арифметических положений. Исследование процесса счета у первобытных народов пока- показывает, что переход от указанной формы примитивного позка- ния к обобщению и закреплению результатов первоначального опыта в форме словесных положений, выражающих уже соот- соотношения между числами, проходит примерно по следующей схеме. За стандартные множества, о которых только что шла речь, принимаются части некоторой, расширяемой по мере надобности стандартной совокупности, элементами которой чаще всего служат пальцы одной или обеих рук, дополняемые далее по различным, но всегда определенным (для данного времени и местности) законам. При счете (т. е. при установлении взаимно-однозначного со- соответствия с исследуемым конкретным множеством) элементы стандартной совокупности используются всегда в одном и том же порядке (обычно повторяющем исторический порядок рас- расширения стандартной совокупности при возникновении потреб- потребности охватить множества большей мощности). Типическим при- примером может служить такая совокупность: большой палец руки, указательный, средний, безымянный, мизинец, запястье, локоть, плечо, грудь,... В силу сохранения неизменного порядка следования элемен- элементов при составлении стандартных множеств каждое из этих по- последних может быть охарактеризовано названием последнего употребленного при счете элемента стандартной совокупности.
За этими названиями закреплялось в силу этого значение чис лпвых символов. В нашем примере стандартное множество, состоящее из паль- пальцев руки, запястья и локтя, характеризуется словом „локоть", выступающим, таким образом, в роли числительного „семь". С течением времени первоначальное смысловое значение этих числовых символов утрачивалось и на место положенной в основу стандартной совокупности становилась система числовых сим- волов, т. е. словесных или иных знаков, следующих друг за дру- другом в определенном порядке и непосредственно используемых для характеристики и сравнения мощности множеств (на зако- законах, по которым такая система символов может быть система- систематически продолжаема, т. е. на законах нумерации на вопросе о системах счисления, не имеющих принципиального значения, мы здесь останавливаться не будем). Результаты опытов над конкретными множествами, фор- формулированные в терминах избранной системы числовых симво- символов, и составляют начальное содержание основных арифмети- арифметических положений. Здесь мы вплотную подходим к той ступени абстракции, на которой материал многократного опыта фиксируется в форме предложений, относящихся к числам. В выборе некоторой основной системы таких предложении, отражающей соответствующие свойства множеств, и выведении из нее дальнейших следствий путем логических рассуждений и заключается построение арифметики как одной из наиболее абстрактных ветвей научного познания, позволяющего предска- предсказывать имеющие место в действительности соотношения без обращения к непосредственному эксперименту. Сейчас мы и перейдем к изучению системы основных поло- положений, исходя из которых, Кантор (около 1870 г.) построил теорию количественных чисел, с тем, чтобы затем вернуться к более детальному анализу только что встретившейся на нашем ти и*еи порядка и порядкового числа. § 8. Основные операции над множествами и над количествен- количественными числами в теории Кантора. Руководящей мыслью Кантора является определение дей- действий над числами на основе соответствующих действий над множествами. Пусть чаны не имеющие общих элементов множества М, N. Р, ... , Q, классы которых (в смысле § 5) характеризуются соответственно количественными числами fit, ft, p, . .. , Q. .Множество S, состоящее из всех элементов множеств Ж, \Т, Р, ... , Q, называется суммой этих множеств. 21
таково: Более развернутое логическое определение суммы множеств >во: а есть элемент суммы S множеств М, N, Р, ... , Q, тт с. ос l S в том и только в том случае, если либо а i__- M, либо а. N, ..., либо ctczQ". Легко убедиться, что, заменяя множества Му N, ... , Q соот- соответственно равномощными с ними множествами М\ N\..., Q', мы получим сумму S\ равномощную с S, так что количествен- количественное число s, характеризующее класс множества S, зависит только от того, каким классам принадлежат множества Му /V, ..., Q, т. е. вполне определяется системой чисел т> п> ..., q. Это число s и называется, по определению, суммой чисел тч я, ..., д, так что s = m n i ... , q. Так как в определении суммы множеств нет вообще никакой речи о порядке, в котором рассматриваются множества Ж, N,..., Q, то отсюда вытекает переместительный закон сложения чисел, согласно которому сумма т -f- п -(-... + Ч не зависит от порядка слагаемых. Точно так же сочетательный закон сложения, согласно кото- которому из равенств т -} .. + п = г \ + следует равенство непосредственно вытекает из аналогичного свойства суммы мно- множеств, представляющего собой одно из формальных свойств логической связки „либо*1. Действительно, суждение „либо оссг/?, либо aczS, либо ..., либо aci Г" при условии, что множество /? есть сумма множеств М, ..., Л множество 5 есть сумма множеств Р, ..., Q, а Т есть сумма мж жеств U, ..., Vy раскрывается так: „либо ясЖ,..., либо ac=7V, либо aazP,..., либо aczl/a, а потому множество, рассматривавшееся как сумма множеств ?, 5, ..., Ту есть в то же время сумма множеств М,..., N, Р, ..., 1/. Не останавливаясь на уже чисто формальных определениях обратных действий вычитания и деления, перейдем к определе- определениям действий умножения и возвышения в степень, которые в теории Кантора имеют довольно своеобразную форму. 22
Пусть даны множества М, N, .. , Q и пусть Q. Составим символ (a, v, ..., Е)> назовем его сочетанием элементов р-, v, ..., Е и образуем мно- множество К всех таких сочетаний, получающихся при всевозмож- всевозможных выборах элемента и из Му элемента v из N, ..., элемента ? из Q. Два таких сочетания будем считать различными, если они отличаются выбором элемента хотя бы одного из множеств Ж, N, ..., Q. Порядок, в котором рассматриваются множества М, Л/,..., Q и взятые из них элементы у, v, ..., Е, при этом без- безразличен. Нетрудно видеть, что класс множества К зависит только от того, каким классам принадлежат множества М> /V, - .., Q. По- Поэтому количественное число k, характеризующее класс множе- множества сочетаний /С, зависит только от чисел т, п, ..., q. Это число k и есть, по определению, произведение чисел т, п, ..., q, так что k = т ' п ... q. Так, например, множество сочетаний (а, X), (а, у), (8, л), (Р, и), определяет количественное число 6 как произведение количе- количественных чисел 3 и 2, характеризующих классы множества М, состоящего из элементов *. Р и т, и множества N, состоящего из элементов А И [I. Из самого определения непосредственно следуют перемести- тельный и сочетательный законы умножения количественных чисел. Не представляет никаких затруднений и доказательство распределительного закона умножения по отношению к сложе- сложению (т-\-п-\-.. .-\-q)r = mr-\-nr-\-...-\-qr. Проведение этих доказательств мы предоставляем читателю в качестве упражнения. Число тп может быть определено так. Пусть Af(a, P, ..., -у) и N(X, щ ..., v) суть множества клас- классов тип. Заменим в множестве N каждый из его элементов каким-либо элементом множества М, допуская при этом многократное исполь- использование одного и того же элемента множества М. Будем полу- получающиеся при указанной замене комбинации считать совпадаю- 23
щими только тогда, когда одинаковые элементы из N заменены одинаковыми элемента*ми и! М. Число /, характеризующее класс шожества L таких комбинаций, и есть, по определению, тп. Так, например, 23 есть число, характеризующее класс множе- множества комбинаций (х, х, X) к >. х) (К К р) (р, К ) (К н-> *) (»*f ?> (К v<> ") (:>. 'л и) получающихся, если элементы множества ос, 3, •/ класса 3 за- заменять независимо друг от друга элементами множества >, у класса 2. Как видно, определения Кантора несколько отличаются от обычных. С точки зрения обоснования элементарных операций над числами с помощью операций над множествами нет, впро- впрочем, принципиальных оснований предпочесть эти определения обычным, разбираемым во всяком курсе методики арифметики. Однако, обращая внимание читателя на симметрию и изящество, отличающие определения Кантора, мы имеем в виду и еще одно обстоятельство, приводящее нас вплотную к одному из важнейших в теоретической арифметике вопросов принципиального характера. § 9. Бесконечные множества и трансфинитные количественные числа. Дело в том, что все приведенные выше определения имеют место не только для конечных множеств и соответствующих им конечных количественных чисел, но переносятся слово в слово и на множества бесконечные, образующие также классы равно- мощных множеств. Эти классы характеризуются в полном соот- соответствии с тем, что было сказано в § 4 о количественных чис- числах вообще, введенными Кантором трансфинитными количе- количественными числами. Трансфинитное количественное число есть, таким образом, не что иное, как понятие о некотором классе равномощных между собой бесконечных множеств. Так, например, множество элементов, образующих песконеч- ную последовательность не может быть поставлено во взаимно однозначное соответствие ни с каким конечным множеством, т. с. имеет, как говорят, иную мощность, чем любое конечное множество. Класс всех равномощных с этой последовательностью множеств есть класс так называемых счетных множеств, т. е. таких, элементы кото- которых могут быть перенумерованы с помощью чисел натураль- натурального ряда. Вводя для обозначения этого класса новое количественное „трансфинитное" число у„ (алеф-нуль), мы можем, согласно с данными в § 8 определениями, составить числа 24
II Т. П. Число tf0 (- 1, например, обозначает класс совокупности, состоя- состоящей из последовательности аи а29 ..., ап9 ... и еще одного sit- мента а (порядок безразличен!) Число tfo-btv) обозначает класс совокупности, состоящей из *вух последовательностей ах, а2,..., ап9 ... и blf bi4 ..., bn, ... Из самого обозначения тут видно, что это есть класс совокупности сочетаний элементов множества a, b класса 2 с элементами счет- счетного множества 1,2, ..., п,... нижних индексов, так что в соот вогствии с определением умножения (§ 8) можно написать: . О Рассматривая, однако, подробнее построенные таким образом классы, мы наталкиваемся на парадоксальные на первый взгляд факты, показывающие, что трансфинитные числа не во всем следуют законам обычной арифметики. Действительно, расположив элементы множества, соответ- соответствующего числу Уо ! 1» в порядке: ti\ Д|, а^у а%9 ..., дл,..., мы видим, что элементы его могут быть перенумерованы (номер первый — элемент а, номер второй — элемент ах и т. д.). Мно- Множество это, стало быть, не выходит из класса счетных, охарак теризованных числом &>«, так что Аналогично, расположив элементы двух последовательностей аи ai9 ..., апу ... и biy #2, Ьп9 ... в порядке: о п9 мы можем провести нумерацию элементов полученного множе- множества, в которой 0! будет иметь номер 1, Ь} — номер 2, а* — номер 3 и т. д. Это означает, что Множество, характеризуемое числом Уо • Ыо, есть множество- сочетаний (al9 bv\ (ai9 62), ..., (а19 Ь„), ... (а2, bx), (ai7 bj9 ..., (а^ bn)9 ... (а„, bx\ (an9 b*), ..., (ап, Ьп), ... Класс этого множества, очевидно, тот же, что и класс мно- множества fc>ft2, получающегося, по определению операции возвыше- 25
лия в степень, заменой в множестве из двух элементов (буквы а и Ь) каждого из этих элементов, независимо друг от друга элементами счетного множества (нижние индексы 1, 2, 3, ...)• Таким образом как в обычной арифметике. Но, кроме того, построенное множество можно перенумеро вать, полагая хотя бы (аи bz) = ct и так далее, перебирая последовательно диагонали написанной зыше таблицы. Итак, Аналогично нетрудно вывести, что вообще если п—натуральное число. Этот опыт мог бы навести на ложную мысль, что все мно- множества, которые мы можем таким путем построить, — счетные и что кроме Ыо не понадобится для характеристики классов бес- бесконечных множеств никаких иных „трансфинитных" чисел. Но вот, рассмотрим 2*4 Согласно определению, мы можем взять множество из двух элементов, скажем 0 и 1, и составить множество комбинаций, получающихся путем независимой замены нулем и единицей элементов какого-либо счетного множества. Каждая такая комбинация есть, таким образом, некоторая после- последовательность типа 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 0, 1, ,.., состоящая из нулей и единиц. При этом мы получим все возмож- возможные последовательности такого типа, с любым чередованием нулей и единиц. ¦Докажем теперь, что 2**<> =?fc>0» т. е. докажем, что множество указанных последовательностей не может быть перенуме- перенумеровано. Метод доказательства известен под именем диагонального процесса Кантора и допускает обобщение для целого ряда аналогичных случаев. Допустим противное тому, что требуется доказать, т. е. допустим, что кому-либо удалось перенумеровать рассматривае- рассматриваемое множество. Представим себе, что комбинации, о которых идет речь, выписаны затем в порядке возрастающих номеров: ~i> ~s> з> • ¦ ¦ i ~/i» 2) -26
(греческие буквы могут иметь лишь значения 0 и 1)- Составим теперь комбинацию того же типа по следующему закону. На первом месте поставим 0, если «1 = 1, и 1, если ^=0. На втором поставим 0, если ра = 1, и 1, если рз = 0. Аналогично, на третьем месте поставим цифру, отличную от третьей цифры третьей комбинации, вообще, на п-ом месте поставим цифру, отличную от п-ой цифры п-ой комбинации. Полученная последовательность нулей и единиц не может иметь никакого номера в приведенной нумерации, так как, по построению, она отличается от каждой занумерованной комби- комбинации именно той своей цифрой, которая стоит на месте, соот- соответствующем испытываемому номеру: от первой — первой циф- цифрой, от второй — второй цифрой и т. д. С другой стороны, построенная комбинация принадлежит рассматриваемому множеству, которое содержит ведь все ком- комбинации из нулей и единиц. Полученное противоречие показывает, что множество класса 2**> уже не есть счетное множество, так что 2^р^Ь^0. Подобным путем можно строить все новые и новые классы множеств, неограниченно расширяя систему количественных трансфинитных чисел. Несоблюдение некоторых основных законов обычной арифме- арифметики (поглощение высшими количественными числами низших), обнаруженное нами выше на простейших примерах, является характерным для всей системы трансфинитных количественных чисел. § 10. Необходимость логической характеристики конечных множеств. Из изложенного в § 9 вытекает, что установленных в § 4 и 8 определений недостаточно для выделения основных арифмети- арифметических положений, определяющих интересующую нас систему конечных количественных (натуральных) чисел. В дамом деле, с этими определениями оказались совмести- совместимыми такие соотношения, как и т. п., не могущие иметь места в обыкновенной арифметике конечных количественных чисел. Для построения этой последней необходимо, стало быть, дать общую логическую характери- характеристику конечных множеств, сузив, таким образом, общее опре- определение количественного числа в данной выше формулироБке, включающее в себя, как мы видели, и трансфинитные числа. Только после дополнительного установления такой характе- характеристики мы сможем быть уверены в том, что соответствующая более узкому определению система конечных количественных чисел и будет, в смысле задач нашего логического анализа, 27
Класс множеств, обозначаемый количественным числом 2, состоит из мноэ/сеств, которые могут быть получены из мно- множеств класса 1 путем присоединения одного элемента. Класс множеств, обозначаемый количественным числом 3, состоит из множеств, которые могут быть получены из мно- множеств класса 2 путем присоединения одного элемента. Вообще, если определения эти выписаны для классов до класса п включительно, то Определение 3. Следующий за п класс ri определяется, как класс множеств, которые могут быть получены из мно- множеств класса п путем присоединения одного элемента. Нетрудно видеть, что этим дана логическая характеристика разложения множества на сумму из множества ближайшего низ- низшего класса и множества первого класса, т. е. как раз того процесса, который мы фактически совершаем при счете элемен- элементов какого-либо конкретного множества, перебирая их после- последовательно один за другим. На практике при последовательном перебирании элементов принадлежность какого-либо множества классу 1 непосредственно ясна на каждой стадии процесса. Заключение лее о принадлеж- принадлежности множества более высокому классу, если оставить в сто- стороне косвенные методы, производится по следующей схеме. Сначала устанавливается, что некоторое подмножество данного множества (состоящее из одного элемента) принадлежит классу 1, затем путем присоединения еще одного элемента образуется подмнолсество, принадлежащее классу 2, и т. д., пока таким образом не будет охвачено все множество. Одновременно с окон- окончанием процесса устанавливается в соответствии с определе- определениями вышеприведенного типа и класс множества. Следует отметить, что при описанном здесь последователь- последовательном определении классов множеств, установление определения каждого индивидуального класса сопровождается фактическим построением некоторого конкретного множества соответствую- соответствующего класса (за такое конкретное множество можно принять, например, множество выписанных определений указанною типа). § 12. Конечные множества. Не вдаваясь здесь, как и в § 9, в несколько преждевременный для нас логический анализ понятия бесконечной последователь- последовательности, будем считать достаточно очевидным для читателя тот факт, что уже для простейших бесконечных множеств типа установление класса множества на основе процесса последова- последовательного перебирания элементов в соответствии с определениями §11 невозможно, так как этот процесс не оканчивается. Так мы приходим к мысли определить конечные множества, чак такие, процесс перебирания. элементов которых заканчи- заканчивается. Однако, такая формулировка лишь весьма расплывчато 2У
передает нужное нам свойство конечных множеств Для того чтобы это определение могло служить действительной основой логических рассуждений, необходимо определить, какое логиче- логическое содержание вкладывается в утверждение, что „процесс перебирания элементов заканчивается". Возвращаясь к определениям § 11, мы можем, отвлекаясь от имевшейся там в виду задачи определения класса множества.и фиксируя свое внимание на частной задаче установления конеч- конечности множества, принять, в точном соответствии с логической характеристикой процесса перебирания элементов, следующие два положения в качестве определения понятия „конечное мно- множество**. Определение 1. Множества класса 1 суть конечные мно- множества. Определение 2. Если множество М есть конечное мно- множество, то и множество М, образованное из М присоединением одного элемента, есть конечное множество. Таким образом мы признаем множество конечным, если это суждение о конечности получено как логическое следствие при- приведенных двух положений. Всякий законченный процесс перебирания элементов множе- множества имеет, стало быть, своим следствием установление конеч- конечности множества. В частности, множества классов 2, 3 и других суть конечные множества. Употребляя слово класс в общелогическом смысле слова, мы можем иными словами сказать, что класс конечных множеств состоит, по определению, из тех и только тех множеств, при- принадлежность которых к этому классу установлена (или может быть установлена) как следствие только что формулированных положений 1 и 2. Приведенное определение конечности находится, как мы видели, в чрезвычайно тесном соответствии с фактическим уста- установлением конечности множеств на практике. Мы отмечаем здесь это обстоятельство, так как далеко не все определения конеч- конечности, принимаемые с той же целью теоретического обоснования последующих заключений, обладают этим свойством. Мы счи- считаем, в частности, совершенно не соответствующими сути дела и не имеющими никаких преимуществ с логической стороны довольно искусственные определения, основанные на рассмот- рассмотрении различных расположений элементов множества. Непосред- Непосредственное установление конечности множества на основании таких определений потребовало бы рассмотрения множества всех его расположений — процесс, который вряд ли кому-либо придет в голову осуществлять на практике. § 13. Принцип полной индукции. Для дальнейшего существенно формулировать одно общее предложение, вытекающее из принятого нами определения конеч- конечности множества. 30
Пусть установлено, что некоторая система множеств (назовем ie Q) обладает следующими свойствами: 1) все множества класса 1 входят в Q, 2) если в Q входят все множества некоторого класса п, та в Q входят и множества следующего класса п\ Мы утверждаем, что тогда всякое конечное множество М входит в систему множеств Q. Действительно, согласно определению § 12, конечность мно- множества М должна быть установлена как следствие формулиро- формулированных там двух положений 1 и 2. Согласно с постулированными свойствами системы Q, каждому использованному при установ- установлении конечности суждению как типа 1, так и типа 2 будет соответствовать суждение о принадлежности соответствующего подмножества множества М к системе Q. Стало быть, одновре- одновременно с суждением о конечности множества М будет получено и суждение о его принадлежности к классу Q. При проведении этого рассуждения, так же как и при самом определении конечности, непосредственным материалом нашего рассмотрения служат не столько множества, сколько процессы установления суждения о множествах. Поэтому с методологи- методологической точки зрения представляется важным не возвращаться вновь к рассуждениям этого типа, а формулировать полученный результат, как основное свойство конечных множеств: Конечные множества включаются во всякую систему мно- множеств, к которой 1) принадлежат все множества класса 1 и 2) если принадлежат множества класса п, то принадлежат и множества следующего класса л'. Всякое суждение S о множестве М может быть формулиро- формулировано, как включение этого множества в некоторую систему множеств Qs (включающую в себя те и только те множества, дл% которых верно суждение S). Например, суждение „множе- „множество М содержит в качестве элемента букву а" равносильно включению MczQs, где Qs есть система всех множеств, кото- рые содержат в качестве элемента букву а. Основываясь на этом, чисто формальном обстоятельстве, мы можем формулировать установленное свойство конечных мно- множеств так: Суждение S верно для всех конечных множеств, если оно верно для множеств класса 1 и если из предположения, что оно верно для множеств класса п вытекает, что оно верно для множеств следующего класса ri. В этой формулировке это свойство носит название принципа полной индукции. Заметим еще, что вместо того, чтобы говорить о „всех ко- конечных множествах", можно говорить о „всех классах (в смысле § 12) конечных множеств" или, что то же, о всех конечных количественных числах. Принцип полной индукции заключает в себе единственный прямой метод доказательства общих предложений, характери- характеризующих совокупность всех конечных множеств. С этой точки 31
зре можно сказать, что в области общих суждений о мно- множествах принцип полной индукции является определением класса конечных множеств. § 14. Принцип полной индукции и суждения об открытых совокупностях. 1. В вопросах обоснования арифметики отмеченное только что обстоятельство имеет чрезвычайно важное принципиальное значение. Совокупность всех конечных множеств (или всех классов конечных множеств в смысле § 12) нельзя рассматривать как законченную совокупность, элементы которой можно перебрать, пересмотреть один за другим. С точки зрения фактического положения дела эта совокупность представляется открытой совокупностью, так как мы можем и фактически строим все новые и новые конечные множества, притом все более и более высоких классов мощности. Идеализируя этот процесс и образуя понятие о всех конеч- конечных множествах, мы сейчас же сталкиваемся с тем, что -суждения о всех конечных множествах, как суждения об „открытой" совокупности, элементы которой нельзя пере- пересмотреть, имеют иной фактический смысл, нежели обычные ¦суждения о всех элементах некоторой вполне законченной, заданной совокупности. Для того чтобы уяснить себе это различие, рассмотрим по- подробнее пример, ставший в затрагиваемой области методоло- методологической критики классическим. Пусть речь идет о вопросе, встре- встречаются ли среди цифр десятичного разложения числа ъ где- нибудь одиннадцать нулей под ряд или нет. Суть дела заключается в том, что здесь ставится вопрос о принадлежности или непринадлежности вполне определенного объекта к некоторой вполне определенной законом своего по- построения открытой совокупности. Если бы мы имели дело с конеч- конечной совокупностью, все элементы которой можно пересмотреть, то этот вопрос решался бы, в принципе, путем такого пересмотра и из двух возможностей „встречается" и „не встречается" осу- осуществление одной из них могло бы быть установлено конечным числом испытаний. Но так как здесь речь идет об открытой совокупности, то такой метод решения вопроса принципиально невозможен и мы вынуждены спросить себя, во-первых, какой смысл следует приписать утверждению, что „нули есть". Если такое суждение высказывается без указания верхнего предела числа цифр, которые нужно рассмотреть, чтобы эти нули найти, то оно является по отношению к процессу после- последовательного определения цифр числа т. бессодержательным. не допускающим проверки. Такого рода суждение нельзя рас- рассматривать как конкретное предсказание: можно найти сколько угодно цифр и все утверждать: „нули есть, но они далыпе", В этом смысле можно сказать, что суждение „нули есть" при- приобретает содержательный смысг только тогда, когда либо будет
указано, до какого места нужно довести разложение, чтобы добраться до этих нулей, либо будет установлена принципиаль- принципиальная возможность такое указание дать. Однако общие теоремы существования в математике отнюдь не всегда имеют только что указанный смысл. Приведем пример для выяснения этого положения. От противного доказывается (см. § 47), что не существует рационального числа, равного У 2. С другой стороны, всякое рациональное число разлагается в конечную или периодиче- периодическую десятичную дробь (чистую или смешанную). Из дока- доказательства несуществования У2 в системе рациональных чи- чисел вытекает поэтому ложность предложения, что какая- нибудь группа цифр повторится в цифрах числа У~2 неограни- неограниченное число раз под ряд. Однако это отрицательное суждение в такой форме лишено в указанном выше смысле слова содер- содержания, так как оно не включает еще указания, до какого места нужно довести разложение \^2 для того, чтобы установить на- нарушение периодичности в случаях, когда обнаружится повто- повторение какой-либо группы цифр несколько раз под ряд. Написав, однако, в явной форме то рациональное число г, которое соответствовало бы неограниченному повторению этой группы цифр, мы сможем, сравнивая квадрат числа г с числом г- '_ V — 2| 1 2, найти такое л, чтобы \г—1/2 |—. , г-^, было больше ^ . Доведя разложение |Л2 до /г-ой цифры, мы должны будем, стало быть, неизбежно натолкнуться на нарушение периодичности в повторении рассматриваемой группы цифр. Мы видим на этом примере, что два факта: „посылки, опре- определяющие число \^% противоречат, допущению, что \/^2 рацио- рациональное число" и „для всякого повторения группы цифр в деся- десятичном разложении числа j/sF можно указать такое число знаков, для которого повторение будет нарушено", хотя и свя- связаны друг с другом, но представляют собой различные по смыслу утверждения. Из сравнительно простого доказательства первого не вытекает непосредственно второе утверждение, требующее для своего установления более детального использования свойств способа задания иррационального числа \/г2. 2. Этому различию между общими утверждениями существо- существования (в особенности доказанными от противного) и суждениями, имеющими характер конкретных предсказаний, которые можно проверить путем конечного числа испытаний, впервые было придано принципиальное значение Кронекером. Кронекер выставил требование, чтобы всякое теоретическое построение (доказательство существования, проверка выпол- выполнения тех или иных условий, входящих в текст определений и теорем) могло быть осуществлено путем конечного числа испытаний, т. е. имело финитный смысл. Кронекеру и его последователю Шатуновскому уда- удалось дать такого рода формулировки и доказательства по отноше- 3 Теоретическая арифметик: —1747
нию к целому ряду теорем теории чисел и алгебры. При этом, как это было впервые замечено Шатуновским, последовательное проведение указанного требования связано г отказом от при- применения закона исключенного третьего по отношению к откры- открытым (и, в частности, бесконечным) совокупностям. В таком построении приходится давать положительные опре- определения отрицательным терминам (строго фиксировать финит- финитное содержание отрицания „не"). Теоремы с отрицательным характером заключения приобретают тогда определенное поло- положительное финитное содержание. Поясним это на примере. Пусть доказано, что предположе- предположение о равенстве основания натуральных логарифмов, числа е, рациональному числу приводит к противоречию. Если допустить по отношению к открытой совокупности действительных чисел закон исключенного третьего, то мы можем, далее, рассуждать так. Если е не равно никакому рациональному числу, то, стало быть, е либо больше, либо меньше всякого рационального числа. Это суждение, однако, не имеет финитного смысла, так как оно не заключает в себе указания метода, с помощью которого для всякого данного рационального числа г можно будет конеч- конечным числом испытаний решить вопрос о том, какое из нера- неравенств г<^е или г^>е имеет место. Обычное доказательство иррациональности числа е этот вопрос оставляет открытым и потому, с точки зрения Кронекера и Шатуновского, выска- высказанное суждение либо должно быть отвергнуто, либо обосно- обосновано иным путем, подобно тому, как это было сделано выше в вопросе о периодичности в цифрах числа ]/^2. В данном случае это удается сделать; однако в классической форме математических построений мы сплошь и рядом встречаемся с таким нагромождением применения закона исключенного третьего и общих утверждений типа „все", „не все" и „суще- „существует", применяемых к открытым совокупностям, что переход к соответствующим финитным суждениям может оказаться в общем случае неосуществимым. 3. Для того чтобы гарантировать финитность утверждений на каждой стадии построения, основателями наиболее резкой прин- принципиальной позиции в рассматриваемом направлении, носящее название интуиционизма и связываемом с именами Б pay эра и В сил я, было предложено отказаться с самого начала от применения закона исключенного третьего к открытым сово- совокупностям и вести все построения по особым логическим пра- правилам, отражающим те взаимоотношения в области бесконечных множеств, которые могут быть сформулированы в финитной форме. Эти правила и образуют то, что называется интуиции нистскоп логикой. Математические конструкции, удовлетворяющие этим тре- требованиям, отличаются крайней громоздкостью и требуют отказа от целого ряда классических методов рассуждения* в особен- особенности в тех отделах математики, которые связаны с наиболее тонкими вопросами теории множеств и функций действитель- 34
ного переменного. В силу этого и сейчас еще резко расходятся мнения в вопросе об оценке предлагаемого интуиционистами пути реконструкции математических дисциплин. Однако не подлежит сомнению, что интуиционистская кри- критика сыграла чрезвычайно важную роль, поставив со всей рез- резкостью вопрос о смысле суждений, относящихся к открытым бесконечным совокупностям. Мы видели выше, чго в этом отношении такие совокупности существенным образом отличаются от тех конечных множеств, все элементы которых можно пересмотреть, перебрать один за другим. Смысл суждения о существовании, получаемого как следствие некоторого предложения, доказанного от противного, не совпадает непосредственно с финитным смыслом соответ- соответствующего содержательного (положительного) утверждения. Для того чтобы выяснить несколько подробнее характер этого отличия открытых совокупностей от конечных множеств, а также основания, по которым отказ от применения закона исключенного третьего приобретает в интуиционистской логике принципиальный характер, мы вернемся к рассмотренному выше примеру с цифрами числа те и спросим себя, каков фактический, финитный смысл утверждения о том, что „одиннадцати нулей под ряд никогда не встретится". Это суждение, правда, носит уже характер предсказания по отношению к проиессу последовательного вычисления цифр числа те, однако оно не может быть ни исчерпывающим обра- образом проверено, ни получено в результате пересмотра цифр числа те, так как эти последние образуют открытую бесконечную совокупность. Поэтому, говоря, что это суждение выражает свойство совокупности всех цифр числа те, мы никак не можем утверждать, что такого рода оборот речи имеет здесь точно такой же смысл, как и в применении к конечным совокупностям, допускающим пересмотр всех своих элементов. Для выяснения смысла утверждения об отсутствии нулей необходимо поэтому рассмотреть это утверждение с генетической точки зрения, проследив, каким путем оно может быть получено. Исходным пунктом в доказательстве такого утверждения, если бы оно было установлено, являлась бы та система предло- предложений, которой определено число те. Когда мы говорим об опре- определенном процессе получения цифр числа те, мы как раз и имеем в виду то обстоятельство, что закон следования этих цифр друг за другом однозначно устанавливается некоторой конечной системой предложений, служащих определением числа те. Дока- Доказать, что нулей нет, значит, таким образом, вывести это пред- предложение путем конечного числа умозаключений из определения числа те. Можно поэтому сказать, что фактическое финитное содер- содержание утверждения „нулей нет" заключается в установлении некоторого свойства системы предложений, определяющих число те. Став на такую точку зрения, мы приходим к совершенно естественному объяснению того, что отрицание общего предло- * 35
жения и соответствующее содержательное финитное утвер- утверждение для открытых совокупностей не совпадают между собой и имеют различное смысловое значение. Действительно, финитное содержательное суждение „нули есть" имеет, как было указано выше, тот смысл, что нули долэюны встретиться, когда разложение будет доведено до определенного места; суждение „нулей нет* имеет финитный смысл: предложение „нулей нет" вытекает из посылок, опреде- определяющих число тс. Эти два суждения не находятся друг по отношению к другу в отношении утверждения и отрицания. Они не совместны, но из отрицания факта, формулированного в первом положении, не' вытекает утверждение второго. Если ке найдено одиннадцати нулей, то это нисколько не противоречит возможности, что общее предложение „нулей нет" останется, вообще, недоказанным. Обратно, отрицание факта, формулированного во втором положении, не есть утверждение первого: если предложение об отсутствии нулей не доказано, то отсюда не следует суще- существование нулей в том смысле слова, который подразумевается в первом суждении. (Мало того, если даже общее предложение, выражающее некоторое свойство цифр числа приведено к про- противоречию с помощью применения закона исключенного треть- ею б его классической форме, то и это обстоятельство неравно- неравносильно по смыслу соответствующему содержательному утвер- утверждению, как мы это видели выше на примере числа ]/^2.) Таким образом, в рассматриваемом нами примере налицо как раз фактическая возможность того третьего положения (tertium интуиционистов), которая исключается законом исключенного третьего в его классической формулировке: „одиннадцать нулей под ряд либо существуют, либо не существуют", С точки зрения финитного содержания суждений у нас нет оснований утвер- утверждать, что такая формулировка имеет тот же смысл, что и соот- соответствующее утверждение относительно конечных множеств. Здесь как раз возможно фактическое наличие третьего: невер* э первое (не доказано, что нули есть) и неверно второе (не дока- доказано, что их нет). При этом у нас нет в распоряжении никакого общего метода, аналогичного указанию на принципиальную возможность пересмотра всех элементов конечных совокупно- совокупностей, который давал бы основания утверждать, что фактическое ¦-ачичие tertium в математике всегда имеет временный характер и что все проблемы такого типа („существует или не суще- существует" по отношению к открытым совокупностям) принципи- принципиально разрешимы в ту или иную сторону. Между тем для классической математики, основанной на законе исключенного третьего, как раз и характерно такое обращение с бесконечными множествами, при котором они рас- рассматриваются как вполне заданные, законченные, лежащие в готовом виде перед исследователем и допускающие, если не фактически, то принципиально тот же пересмотр всех элемен- элементов, как и конечные множества. Как раз такого рода экстра- экстраполяция классической логики, выражающей свойства конечных 36
множеств и относящихся к ним суждений, на открытые беско- бесконечные множества и признается интуиционистами незаконной. Как бы ни относиться к крайним выводам, вытекающим из такой точки зрения, нельзя отказаться от методологического анализа смыслового значения тех построений, которые основаны на применении закона исключенного третьего в его классиче- классической форме к бесконечным совокупностям. Отметим один из результатов в этом направлении, получен- полученный советскими математиками Колмогоровым и Гливенко для довольно широкой области предложений: если с помощью классической логики доказано некоторое предложение, то в финитной интуиционистской математике верно его двойное отрицание. Поясним это на примере, приведенном на странице 33. Полученное с помощью закона исключенного третьего суждение о наличии нарушения периодичности в цифрах числа j/]> со- соответствует следующему финитному суждению: невозможно до- доказать отсутствие нарушения периодичности. Это предложение действительно непосредственно связано с тем фактом, который установлен классическим доказательством иррациональности числа ]/2; для „снятия двойного отрицания", т. е. доказатель- доказательства возможности установления нарушения конечным числом испытаний, необходимо добавочное исследование. 4. Подчеркнутое нами выше финитное значение общих пред- предложений об открытых совокупностях, как выражения свойств тех законов, которыми эти совокупности определены, лежит в основе широко задуманного плана Гильберта обосновать применение законов классической логики и, в частности, закона исключен- исключенного третьего по отношению к бесконечным совокупностям путем доказательства формальной непротиворечивости соот- соответствующих построений. Направление Гильберта и его школы, известное под назва- названием формализма, принимает критерий формальной непротиво- непротиворечивости в качестве определения понятия „существования11 в математике и в качестве критерия принятия или непринятия того или1 иного математического построения. Отказываясь, в согласии с интуиционистской критикой, от непосредственного, наивного рассмотрения бесконечных мно- множеств наравне с конечными, Гильберт переносит вопрос в дру- другую плоскость, рассматривая свойства законов, определяющих множества, и умозаключений, которые делаются из этих зако- законов по правилам классической логики. Другими словами, объек- объектом финитного рассмотрения здесь являются конечная система предложений, фиксирующих исходные аксиомы, включая и клас- классические законы логики, и конечные системы предложений, представляющие то или иное математическое доказательство. Вспомогательным аппаратом в этой области исследований, названной Гильбертом „метаматематикой", служит так называ- называемая формализованная или символическая логика. В этой последней логические суждения, записанные с по- помощью особых знаков для логических терминов „и", „или*, 37
„включается", „следует", „все", „существует6- и т.п., изучаются с точки зрения их внешней структуры при полном отвлечении от их смыслового значения в отношении первоначальной системы удовлетворяющих этим суждениям объектов. Доказательству или выводу соответствует в такой записи получение из одних •конфигураций символов других по чисто внешним правилам подстановки или замещения одной группы знаков другой. Классическому математическому доказательству, основан- основанному на наивном представлении о возможности пересмотреть все элементы бесконечной совокупности, соответствует в сим-" волической записи некоторая конечная конфигурация символов, полученная финитным путем из исходных посылок. Эту воз- возможность финитного рассмотрения в области метаматематики доказательств, содержание которых по отношению к перво- первоначальной системе объектов выходит за пределы финитного, Гильберт и предполагал использовать для доказательства непро- непротиворечивости соответствующих построений, опираясь на то, что в области метаматематики непротиворечивость обнаружи- обнаруживается как чисто внешнее свойство конфигураций знаков, изо- изображающих математическое доказательство. Как мы уже упоминали в § 1, попытки Гильберта не .увен- .увенчались успехом, и есть все основания думать, что вопрос о вза- взаимоотношении содержательных и формальных методов в мате- математических построениях не может быть решен этим путем. 5. Методологические проблемы, возникшие в связи с инту- интуиционистской критикой, находятся и сейчас еще в стадии раз- разработки. В частности, и вопрос об обосновании арифметики, связан- связанный с изучением основной для математики бесконечной сово- совокупности натуральных чисел, не может быть даже правильно поставлен вне зависимости от разрешения указанных здесь методологических задач общего характера. Отсылая читателя, интересующегося подробностями, к ука- указанному на странице 17 сборнику [см. такж^ Гейт инг (Heyting), Обзор исследований по основаниям математики], вернемся к теме начала настоящего параграфа. Так как класс конечных множеств представляет собой откры- открытую совокупность, то все перечисленные выше обстоятельства обязывают с особой внимательностью отнестись к определению того, какой смысл вкладывается в утверждение „все конечные множества или все классы конечных множеств обладают таким- то свойством". Если оставить в стороне общие свойства множеств вообще, то установление в общем виде специфических свойств конечных множеств фактически всегда основывается на непосредствен- непосредственно или косвенном применении принципа полной индукции. С финитной точки зрения можно поэтому принцип полной индукции в той форме, в какой он дан на странице 31, считать определением того, какой фактический смысл следует приписать фразе: „суждение S верно для всех классов конечных множеств".
Эту точку зрения легче всего уяснить себе, если поставить вопрос: как конкретно проверить справедливость какого-либо утверждения этого типа относительно всех классов конечных множеств? Всякая система множеств, которая уже построена и для которой можно провести соответствующий контроль, включает, очевидно, лишь множества до какого-то определенного класса, являющегося в этой системе построенных множеств наивысшим. Если мы не наткнемся в ней на противоречие, то проведение контроля в этой системе может только дать неко- некоторое субъективное убеждение в том, что исследуемое пред- предложение, вероятно-де, верно вообще. Однако никто не согла- согласится признать такой контроль исчерпывающим и эквивалент- эквивалентным общему доказательству этого предложения, даже если по- построенных или так или иначе конкретно заданных множеств более высокого класса не существует. Таким образом, мы видим, что общие предложения данного типа мы рассматриваем как имеющие характер предсказания по отношению к множествам, которые могут быть фактически построены, только поскольку они доказаны с помощью прин- принципа полной индукции. В построении соответствующей логической теории конечных множеств это обстоятельство и сказывается в том, что прин- принцип полной индукции включается в определение класса конеч- конечных множеств. С финитной точки зрения (см. выше стр. 34) общие выска- высказывания о всех конечных множествах являются поэтому выра- выражением соответствующих свойств системы положений 1 и 2 § 12. В силу соображений, изложенных в § 13, всякое такое выска- высказывание, установленное применением принципа полной индук- индукции, находит свое отражение в свойствах конечных множеств, которые уже построены или могут быть построены. С финитной точки зрения следует, однако, остерегаться отождествлять это положение с тем, которое имеет место для высказываний о всех элементах класса, содержащего конечное число элементов, так как класс конечных множеств является открытой совокупностью. В частности, относительно дизъюнкции: либо все натуральные числа обладают некоторым свойством, либо существует нату- натуральное число, не обладающее этим свойством, можно повто- повторить все то, что было сказано выше относительно вопроса о цифрах числа *. Характерным примером доказательства суще- существования натурального числа, не включающего финитной кон- конструкции, могут служить рассуждения конца § 109 гл. XIII. § 15. Свойства конечных множеств и системы конечных количественных чисел. 1. Георема 1. Конечное множество не может быть равно- мощно своей правильной части. Доказательство. Для множеств класса 1 это очевидно, так как такие множества не имеют правильных (т. е. не совпа- совпадающих с самим множеством) частей. 39
Пусть доказываемое положение установлено для множесть класса л. Всякое множество Bn* следующего класса п' по определению § 11 можно рассматривать как сумму некоторого множества Вп класса п и еще одного элемента а. Допустим, что Bnt~A, где АсаВп, есть правильная часть ВП'. Так как а не содержится в А, то, исключив а из ВпГ, a соответствующий а элемент о, из Л и сохраняя тот же закон соответствия, мы найдем для остатка А1 множества А, что Ахг^Вп и AtczBn9 что по допущению для множеств класса п влечет за собой тождественное совпадение Ах с ВПш Это, однако, невозможно, так как Ах не содержит элемента а,, входящего в Вп. Если же aczA, то пусть р есть элемент Вп,, не содержащийся в А. Рассмотрев правильную часть А1 множества Впу получаю- получающуюся из А заменой элемента а из Л элементом р с сохранением прежнего закона соответствия, мы придем к предыдущему случаю. Теорема, таким образом, доказана методом полной индукции. Отсюда непосредственно вытекает такой положительный признак множеств, не входящих в систему всех конечных мно- множеств и носящих, в соответствии с этим, название бесконеч- бесконечных множеств: Теорема 2. Если возможно установить взаимно-однознач- взаимно-однозначное соответствие между некоторым множеством М и его правильной частью, то множество М есть бесконечное мно- множество. Этот принцип бесконечности множества был принят Деде- киндом за определение самого понятия „бесконечное множе- множество". Определением конечности в этом случае служило бы утверждение теоремы 1. Не станем повторять по этому поводу замечаний на странице 30. Нетрудно видеть, что обнаруженное нами в § 9 отклонение законов операций над трансфинитными числами от законов обыч- обычной арифметики обусловлены именно этим свойством беско- бесконечных множеств. Теорема 1 настоящего параграфа показывает, таким обра- образом, что определения § 12 действительно достигают своей цели выделения интересующей нас системы конечных множеств из слишком широкого для арифметики класса множеств вообще. 2. Теорема 3. Если классы (количественные числа) Ли/ различны, то и следующие за ними классы (количественные числа) К и t различны. Действительно, пусть множества Аи и Аи классов К и /' равномощны, т. е. Ak'~Av. Рассмотрим Аи* как сумму Аи и элемента a, Av как сумму At и элемента р. Если в указанном соответствии а соответствует р, то Аь^ Аи что невозможно по услови.ю. 40
Если нет, то пусть а соответствует $', a р соответствует а'- Изменим закон соответствия, отнеся а элементу р, а а' — эле- элементу р'. Этим положение сводится к предыдущему случаю. Аналогичная теорема относительно предшествующих классов очевидна. Теорема 4. В ряду последовательных классов конечных ипожеств (конечных количественных чисел) нет совпадающих классов. Доказательство. Класс 1 отличен от класса 2 и всякого конечного класса п\ в построении которого применена опера- операция присоединения элемента, так как согласно определению 2 § 11 множество, состоящее из одного элемента, есть правильная часть всякого такого класса. Допустим, что предложение доказано для системы всех клас- классов до п включительно. Совпадение класса п' с одним из пре- предыдущих (отличных, по доказанному от первого класса) влекло бы за собой, согласно теореме 3, совпадение л-го класса с одним из предыдущих, что по допущению невозможно. Доказанное свойство системы последовательно определяемых конечных классов находится в непосредственной связи с утвер- утверждением теоремы 1. Поясним несколько подробнее характер этой связи, переходя от логических рассуждений к конкретному рассмотрению процесса определения класса множества (§ 11). Пусть в этом процессе мы остановимся на „какой-либо-про- „какой-либо-промежуточной стадии" разложения исследуемого конечного мно- множества Ап на сумму некоторого подмножества А одного из пре- предыдущих классов и дополнительных, еще не рассмотренных эле- элементов, образующих множество В. Из теоремы 1 следует, что правильная часть А множества Ап не может быть равномощна множеству А Последовательное определение классов конечных множеств, согласно с определением § 11, не может, таким обра- образом, ни на какой стадии процесса привести к совпадающим классам. В частности, отсюда следует, что одно и то же множество не может оказаться при различных способах перевирания его элементов причисленным к различным классам: класс множе- множества определяется однозначно. На это положение, являющееся лишь другим выражением доказанной выше невозможности установить взаимно-однознач- взаимно-однозначное соответствие между множеством и его правильной частью, обратил особое внимание Гельмгольц (Helmholtz), формули- формулируя его как утверждение о независимости числа элементов конечного множества от порядка счета. В вопросах обоснования арифметики это положение играет важную роль, обусловливая однозначное расположение конеч- конечных количественных чисел по величине, к установлению кото- которого мы и перейдем. Теорема 5. Всякие два конечных множества М и N либо равномощны между собой, либо одно из них равномощно пра- правильной части другого. 41
Пусть N есть произвольное конечное множество. Докажем георему, проводя индукцию относительно класса множества М, Если М множество класса 1, то оно равномощно с множе- множеством класса 1 и равномощно правильной части множеств дру- других классов, по самому определению этих последних. Пусть для множеств М до я-го класса включительно теорема доказана. Рассмотрим множество Мп* следующего класса как сумму множества Мп класса п и элемента а. Если множество N равномощно с частью множества Мп, то оно равномощно с правильной частью Мп>. Если же правильная часть Л^ множества N равномощна с мно- множеством Мп9 то возможны два случая: либо в разложении множества N на сумму его части Nt и дополнительного множества N2 это последнее принадлежит классу 1, т. е. состоит из одного элемента [3; либо, если N2 не принадлежит к классу 1, то оно может быть представлено как сумма множества Nz (не пустого) и множе- множества, состоящего из одного элемента C. Поставив элемент C множества N в соответствие с элементом а множества Мп; мы получим в первом случае Mnf~N, а во втором — Mnt окажется равномощным с правильной частью (состоящей из Л^ и элемента C) множества N. Теорема, таким образом, доказана. Если в области конечных множеств мы условимся говорить, что мощность одного множества М меньше мощности другого N (а мощность N больше мощности М) в том случае, когда М равномощно правильной части /V, то в силу предыдущей тео- теоремы всякие два конечных множества сравнимы между собой в отношении их мощности. Понятие „меньше" в отношении мощности конечных классов обладает при этом формальным свойством, известным под на- названием транзитивности: Теорема 6. Если мощность множества А меньше мощ- мощности множества В, а эта последняя меньше мощности мно- множества С, то мощность множества А меньше мощности мно- множества С. Для доказательства достаточно заметить, что, поставив в соответствие элементам А те элементы С, которые соответст- соответствуют элементам равномощной с А части множества В, мы тем самым осуществляем взаимно однозначное отображение мно- множества А на правильную часть множества С. Сопоставляя это с тем, что при образовании следующего за данным класса равномощных множеств путем присоединения одного элемента, мы в соответствии с только что принятым определением переходим от меньшей мощности к большей, мы можем сказать, что при определенном в § 11 последовательном построении классов равномощных множеств эти классы стро- строятся в порядке возрастающей мощности: мощность каждого класса больше мощности каждого из ему предшествующих 42
Приняв соответствующее Определение. Количественно число т меньше или больше количественного числа п в зависимости от того, в каком из этих двух отношении иаходятся мощности соответствующих этим числам классов, мы можем сказать, что в определенной процессом § 11 последовательности количественных чисел \9 Zj о, ... количественные числа располагаются в порядке возрастания. Теоремы 4, 5 и 6 настоящего параграфа выражают, таким образом, следующие свойства понятий „равно", „больше" или „меньше" для количественных чисел. 1) Для всяких двух количественных чисел тип имеет несто одно, из трех соотношений т<Сп, т^>п, т = п. 2) Каждое из этих соотношений исключает два остальных. 3) Если т<^п и п<^р, то т<^р. 4) Если т<^п, то п^>т. На значении этих свойств, определяющих так называемое скалярное расположение системы количественных чисел, мы подробно остановимся впоследствии, когда будем говорить о понятии скалярной величины вообще. 3. Докажем еще две теоремы относительно конечных мно- множеств. Теорема 7. Всякая часть конечного множества есть конеч- конечное множество. Для множеств классов 1 и 2 это очевидно. Пусть теорема доказана для множеств класса п. Рассмотрим множество Ап> следующего класса как сумму множества Ап класса п и элемента а. Пусть А какая-либо часть множества Л„». Поступая так же, как в доказательстве теоремы 1, мы убеждаемся в том, что А либо есть часть множества Ant либо равномощна с некоторой его частью. В обоих случаях из допущения следует, что А есть конечное множество. Теорема 8. Сумма конечного множества конечных мно- множеств есть конечное множество. При этом класс суммы не „пустых" множеств (см. п° 4 настоящего параграфа) выше класса каждого из слагаемых. Доказательство проводится, в соответствии с текстом тео- теоремы, путем двойной индукции: относительно числа слагаемых множеств и относительно числа элементов в одном из слагае- слагаемых множеств (для случая двух слагаемых). Проведем это. Множество, получаемое путем присоединения множества класса 1 к конечному множеству Л, есть, согласно определению, конечное множество. 43
Допуская, что сумма конечного множества А и конечного множества Вп класса п есть конечное множество, мы найдем, что сумма А и множества Bnf, получаемого из Вп прибавлением одного элемента а, получается из суммы А и Вп той же опера- операцией, т. е. приводит нас к конечному множеству. Тдким образом, сумма любых двух конечных множеств есть конечное множество. Если допустить теперь, что сумма S некоторого числа т множеств есть конечное множество, то, пользуясь сочетатель- сочетательным свойством суммы (§ 8), мы можем рассматривать сумму (/71 + 1) множеств как сумму двух конечных множеств: только что упомянутого 5 и {т-\-\)-ю прибавляемого множества. Этим проведена индукция по отношению к числу слагаемых множеств и теорема доказана полностью, так как заключение о классе суммы очевидно. Предоставляем читателю доказать аналогичные теоремы для операций умножения и возвышения в степень конечных коли- количественных чисел. 4. Число нуль. Введя в рассмотрение так называемое пустое множество, не содержащее никакого элемента, мы можем усло- условиться класс этого множества, не совпадающий ни с одним из определенных выше классов, обозначать новым количественным числом нуль. В соответствии с определением операции присо- присоединения одного элемента количественное число 0 можно рас- рассматривать как предшествующее 1 в натуральном ряду. В этом смысле говорят, что нуль меньше всякого другого количествен- количественного числа. В соответствии с определением операции сложения естественно принять п~\ 0 = я и 0 \-п = п каково бы ни было натуральное число я. Определение остальных операций над чис- числом 0 также носит чисто условный характер, и мы рассмотрим этот вопрос в другом месте (§ 22). Этим и заканчивается по существу построение теории коли- чественных чисел как системы классов конечных множеств. На основе принятого в § 12 определения конечности мы установили здесь расположение количественных чисел в по- порядке возрастания. Тем самым исключены соотношения, рассмот- рассмотренные в § 9, могущие иметь место лишь для трансфинитных количественных чисел: для конечных количественных чисел сумма двух таких чисел есть, как мы видели, конечное коли- количественное число, большее каждого из слагаемых (если среди них нет нуля). Аналогичные теоремы имеют место и в отноше- отношении остальных операций. Дальнейшее развитие арифметики на основании установлен- установленных свойств конечных количественных чисел представляет уже совершенно элементарную задачу, на которой мы не останавли- останавливаемся, переходя в § 19 к рассмотрению теории натурального ряда с иной, более абстрактной точки зрения, принадлежащей Грассману. Прежде чем перейти к этой теории, рассмотрим еще один вопрос первостепенного принципиального значения. 44
§ 16. Натуральный ряд как бесконечная совокупность. Поставив в соответствие каждому классу конечных множеств следующий за ним „класс (т. е. классу 1 — класс 2, классу 2-— класс 3, вообще классу п — класс п'\ мы тем самым устанавли- устанавливаем взаимно однозначное соответствие между системой клас- классов 1 2 s 4 и ее правильной частью 2, 3, 4, 5, Таким образом, в силу теоремы 2 § 15, совокупность всех классов конечных множеств, или, что то же, совокупность всех конечных количественных чиселу есть бесконечное множество. Непосредственный смысл этого утверждения заключается, как видно из приведенного здесь доказательства, как раз в воз- возможности установить указанный закон соответствия. Это обсто- обстоятельство выражает, таким образом, некоторое свойство системы определений § 11, характеризующих процесс построения после- последовательных классов количественных чисел (ср. также § 14). Аналогично и суждение о возможности „для всякого класса конечных множеств рассматривать класс непосредственно выс- высший" выражает соответствующее свойство структуры системы определений § 11 [определение 3, стр. 29]. Мы выходим за пре- пределы финитных (см. § 14) предложений, позволяя себе говорить 0 том, что утверждаемое этим суждением положение вещей осуществлено в системе конечных множеств, так как такой си- системы в законченном виде не существует. С генетической точки зрения иногда рассматривают сужде- суждение „ко всякому конечному множеству можно присоединить еще один элемент" как результат идеализации практического опыта, относящегося к конкретным конечным множествам. Следует, однако, иметь в виду, что во многих случаях, когда это суждение применяется в математическом доказательстве, это последнее можно рассматривать само по себе как осуще- осуществление построения нужного числа (или описание того, как та- такое число построить). Так, например, в рамках арифметических рассуждений факти- фактический смысл фразы „дано число п, рассмотрим следующее за ним число п-\-1 "заключается в том, что мы имеем в виду де- делать логические выводы из посылок, определяющих число п, и определения 3 страницы 29, § 11. Присоединение этой новой посылки к тем положениям типа 1 и 2 § 11, которые определяют число п9 если оно вполне за- задано, есть действие, равносильное построению множества (если угодно, можно говорить здесь о множестве посылок типа 1 и 2 § 11) с числом элементов у на единицу большим. Мы можем поэтому не говорить заранее о возможности или невозможности такого построения, принимая, что в тех случаях, когда этот вопрос в рамках арифметики может быть поставлен, он разрешается тем, что такое построение фактически (в ука- указанном выше принципиальном смысле слова) совершается. 45
Имея в виду то направление методологической критики, кото- которому мы посвятили § 14, следует отметить, что исследование смысла суждений, относящихся к системе натуральных чисел, имеет первостепенное принципиальное значение, так как эта система представляет собой первое, исходное для дальнейших построений бесконечное множество, заданное определенным законом последовательного построения его элементов. Принимая за данное множество натуральных чисел и позво- позволяя себе говорить о всех его элементах, т. е. о всех конечных количественных числах, о любом натуральном числе и т. д., можно затем строить новые бесконечные множества, в простей- простейшем случае последовательности I» "з> • • •» п* задавая закон, которым по каждому натуральному числу п оп- определяется соответствующий элемент ап построяемого мно- множества. Согласно упомянутой уже в § 14 точке зрения, утверждения, относящиеся к элементам такого рода открытых совокупностей, можно рассматривать как свойства соответствующих законов их определения (например той'системы предложений, которой устанавливается соответствие между натуральным числом п и элементом ап). Основным таким законом для самого натураль- натурального ряда чисел являются рассматриваемые ниже (§ 17) свой- свойства 1—4. Дальнейшие построения в области теории множеств все более и более усложняют взаимоотношение между фактическим смыс- смыслом суждений об элементах бесконечных совокупностей и теми представлениями,- которые мы с ними связываем, употребляя термины „все" и „существует" в обычном смысле слова. С этой точки зрения и содержание арифметических положе- положений, основанных на неограниченном применении к натуральному ряду чисел суждений этого типа, выходит за пределы простей- простейшего элементарного опыта, относящегося к конкретным конеч- конечным множествам. В связи с этим приобретает особую остроту и вопрос о непротиворечивости системы аксиом арифметики. До получения достаточно удовлетворительного ответа на ука- указанные в § 14 общие вопросы методологического порядка при- приходится причислять к числу ждущих своего разрешения проблем и зопрос об обосновании арифметики, связанный с построением основной для математики бесконечной совокупности натураль- натуральных чисел.
ГЛАВА И. ПОРЯДКОВОЕ НАТУРАЛЬНОЕ ЧИСЛО. § 17. Аксиоматика натурального ряда. Система аксиом Пеано. 1. В предыдущих параграфах мы установили следующие ос- основные свойства классов конечных количественных чисел: Класс множеств, состоящих из одного элемента, есть класс наименьшей мощности (§ 15, теорема 4). Всякому классу конечных множеств можно поставить в со- соответствие класс непосредственно следующей большей мощно- мощности (§ 11, определение 3 и § 16). Все классы, кроме первого, определяются как следующие за непосредственно предшествующим классом (§11, определе- определение 3). При этом, если классы k и / различны, то и следую- следующие за ними классы различны и наоборот (§ 15, теорема 3). Если предложение S доказано для первого класса и если из допущения, что оно верно для п-го класса, следует, что оно верно для следующего класса п!, то мы говорим, что оно верно для всех классов конечных множеств (§ 13). Формулируем эти положения как свойства натурального ряда чисел 1, 2, 3, ... 1. Единица есть натуральное число, не следующее кч за каким натуральным числом. 2. Всякому натуральному числу п однозначно соответствует непосредственно следующее за ним натуральное число п'. 3. Всякое натуральное число п, за исключением единицы, непосредственно следует за одним и только одним натураль- натуральным числом. 4. Если предложение S доказано для единицы и если из до- допущения, что оно верно для натурального числа п, следует, что оно верно для непосредственно следующего натурального числа п', то предложение S верно для всех натуральных чисел. Только что перечисленные четыре свойства системы нату- натуральных чисел, как мы подробно покажем ъ ближайших пара- параграфах, оказываются достаточным базисои для установления независимо от теории конечных множеств основных определе- определений и вывода всех положений арифметики уже чисто дедуктив- дедуктивным путем. 47
Это обстоятельство играет фундаментальную роль в теоре тической арифметике- Оно показывает, что, формулировав ука- указанные четыре положения как результат обобщения опыта, отно- относящегося к конечным совокупностям, мы можем перейти на сле- следующую ступень абстракции, отвлекаясь от первоначально при- присущего натуральному числу значения количественной характе- характеристики класса равномощных множеств и опираясь лишь на тот факт, что система натуральных чисел представляет собой ряд 1 о Ч ± j ?jy О, . . . у возникающий в результате последовательного построения из первого элемента 1 с помощью отношения „непосредствен- „непосредственного следования за" все новых и новых, по определению, от-* личных друг от друга элементов. Этому конкретному описанию процесса построения элементов натурального ряда соответствует в качестве исчерпывающей гогической характеристики система положений 1—4, вполне определяющая структуру и основные свойства натурального ряда 19 4 Все взаимоотношения между числами являются, другими сло- словами, следствиями этих четырех положений, которые можно, таким образом, рассматривать как систему определений или ак- аксиом арифметики, определяющих в достаточной для дальней- дальнейших построений мере формальный смысл входящих в эти опре- определения трех терминов: „единица", „натуральное число" и „не- „непосредственно следующее за". Систему положений 1—4 мы будем называть системой ак- аксиом Пеано. Примечание. Принятая Пеано система аксиом лишь по форме отли- отличается от приведенной. Дословный текст пяти аксиом Пеано таков: 1) „О есть натуральное число"; 2) „следующее за натуральным числом есть натуральное число"; 3) и0 не следует низа каким натуральным числом"; 4) „всякое натураль- натуральное число следует только за одним натуральным числом"; 5) аксиома полной индукции. То, что первый элемент системы здесь 0, а н^ 1, не имеет принципи- принципиального значения. 2. Для лучшего уяснения постановки вопроса1 целесообразно будет охарактеризовать соответствующую теорию как теорию порядкового числа в смысле Грассмана, в отличие от изло- изложенной теории количественного числа в смысле Кантора. С этой точки зрения на систему чисел 1, 2, <j, 4, о, ... следует смотреть как на последовательность некоторых знаков, каждый из которых определяется своим положением в ряду этих знаков и никакого другого смысла не имеет. Можно было бы писать I, II, III, IV, V, ..., или я, by с, d, et ..., 48
или ?, Л, О, или III, 9, Л О, Ь, .. Приводя такие примеры различных обозначений, мы хотим подчеркнуть, что во всех этих случаях мы отвлекаемся от зна- значения II или 9 как цифры, Ь — как буквы, Л—как фигуры и 2 — как количественного числа. Во всех этих случаях это лишь знак элемента последовательности, следующего за тем элементом, который ни за каким не следует. В этом смысле мы и будем говорить, что каждый из этих знаков имеет порядковый смысл, и никакого количественного значения ему не приписывается. Эта роль чисел как системы знаков, следующих друг за другом в зафиксированном порядке, была нами уже отмечена ранее при описании процесса счета (§ 7). В наглядной схеме расположения элементов последователь- последовательности в строчку соотношение, выражаемое словами „элемент такой-то следует за таким-то" осуществлено как пространствен- пространственное взаимное расположение употребляемых для обозначения элементов знаков — один знак расположен справа от другого, рядом с ним. В логических построениях, к которым мы приступаем, нельзя приписывать соотношению „непосредственно следует за" какой- либо узкий конкретный смысл. Можно опираться лишь на ту логическую связь, которая имеется между этим соотноше- соотношением и построением нашей системы знаков. Эта связь исчерпывающим образом устанавливается положе- положениями 1—4 настоящего параграфа, которые мы в этом именло смысле и рассматриваем, как совместное определение терминов „единица", „непосредственно следует за" и „натуральное шсло". Для совершенно отчетливого уяснения того обстоятельства, что здесь речь идет именно о взаимной связи этих терминов, а не о каком-либо определенном их конкретном смысле, приме- применим следующий прием. Покажем, что система положений 1—4 может быть удов- удовлетворена, если дать терминам „натуральное число", „непосред- „непосредственно следует за" и „единица" иную интерпретацию, иной конкретный смысл, нежели тот, который они имели в рамках изложенной теории количественного числа. § 18. Различные интерпретации системы аксиом Пеано. Возможность различных интерпретаций одних и тех же тер- терминов сопровождает, вообще, всякий переход на более высокую ступень абстракции. Так, уже в теории количественных чисел соотношение, например, 5 + 7=12 допускает различные интер- интерпретации на различного рода конкретных множествах. То же свойство присуще и более сложным математическим построе- построениям. 4 Теоретическая арифметика—1747 49
1. Системе аксиом геометрии на плоскости, устанавливающей связь между терминами „точка", „прямая", „пересекает", „ле- „лежит на", можно удовлетворить, принимая следующие интерпре- интерпретации этих понятий, лишенные уже обычного конкретного гео- геометрического смысла: „точка": система двух чисел а, Ьу „прямая" \ совокупность пар чисел х, у, удовлетворяющих уравнению Ах-{-Ву-\~С=Оу где А9 В, С — заданные числа, при- причем Л2 + #*>0, „точка лежитна прямой" или гпрямая проходит через точку*: система значений х = а и у = Ъ удовлетворяет уравнению А±В+СО При такой интерпретации основные аксиомы геометрии на плоскости будут удовлетворены, всякое утверждение относи- ельно взаимного расположения прямых и точек будет иметь, однако, некоторый аналитический смысл определенного выска- высказывания об уравнениях и удовлетворяющих им числах. Мы го- говорим, что и здесь мы занимаемся „геометрией", поскольку речь идет о тех же самых взаимных связях между изучаемыми объектами. Укажем еще примеры иных возможных интерпретаций тех же терминов. „Точки": окружности плоскости раз навсегда определенного радиуса г; „прямая": совокупность двух параллельных со взаимным расстоянием *¦; „точка лежит на прямой" или „прямая проходит через точку": окружность касается обеих параллельных, о которых шла речь только что. Этого типа интерпретация геометрии пространственных точек и прямых подробно рассмотрена во втором томе „Энциклопе- „Энциклопедии элементарной математики" Вебера и Вельштейна. Точки интерпретируются там как сферы, а прямые как бесконечные цилиндры того же радиуса. В некоторых вопросах начертательной геометрии применялся следующий прием для изображения на плоскости простран- пространственных образов. Точка с декартовыми координатами х9у, ? изо- изображалась на плоскости окружностью с центром в точке х, у и радиусом z. Прямые изображались соответственно семействами таких окружностей, вообще говоря, переменного радиуса или, что то же, парами прямых, являющимися огибающими таких семейств окружностей; условие „точка лежит на прямой" интер- интерпретируется и здесь как касание. 2. Еще один пример. Пусть формальные свойства знаков -\-, -, /\у \А = И черточки над буквой определяются следующей си- системой аксиом L\ а = а; если а — b, то Ь = а; если а — b и Ь = с, то а=.с; 50
(a-] b).c=a-c , b-c; a-a = + /\ J ; + V V; A V Рассмотрим возможные интерпретации этой системы аксиом. Пусть при этом знак равенства „=" имеет обычный смысл. 1) Пусть буквы могут иметь значения аир, где а и C — два какие-либо числа, причем а<СC- /\ пусть означает а; \/ — озна- означает C; а-b — наименьшее (не большее) из двух чисел а и Ь; а-\-Ь—наибольшее (не меньшее) из двух чисел а и Ь\ знак а — „другое" число, т. е. а, если а —C, и р, если я = а. Легко убедиться, что все аксиомы выполнены. Аналогичную интерпретацию нетрудно построить для системы нескольких (а не только двух) чисел. 2) Пусть буквы обозначают области плоскости, а*Ь — общую часть а и Ъ\ а-\-Ь—часть плоскости, включающую все точки а и все точки Ьъ а — все точки вне а; \/~~всю плоскость, Д — несобственнную область, не содержащую ни одной точки (пустую). Аксиомы будут удовлетворены. Например, (а -\-Ь) • с = — а-с-\-Ь-с выражает здесь тот факт, что соединение общей части а и с с общей частью Ъ и с есть общая часть с и области, получающейся от объединения областей а и Ь. 3) Пусть, далее, буквы обозначают любые подмножества не- некоторого множества Q; а*Ъ — общую часть а и Ъ\ а-\-Ъ — сумму аиЬ; V—множество Q, /\ — пустое множество, а — все элементы Q, кроме вошедших в а. Эта интерпретация заключает преды- предыдущую как частный случай и соответствует так называемой „логике классов". 4) Пусть буквы означают суждения, знак а = Ь—одновремен- Ь—одновременную ложность или истинность суждений а и Ъ\ /\ — ложное, V — истинное суждение, знак п-\-и связку „или", знак „ •a связку „и", знак черточки — отрицание суждения- Аксиомы удовлетворены- Связь определяемых терминов, ими устанавливаемая, соответствует, таким образом, известным зако- законам формальной логики (логики суждений или предложений). Имея в виду эту последнюю интерпретацию и используя буквы для обозначения предложений и дальнейших действий на основе системы аксиом Z,, мы переходим от содержательной интерпретации 4 к другой, в которой фиксируемые связи носят более внешний характер. В этой буквенной интерпретации, из- известной под названием „алгебры логики", рассуждениям соот- соответствует выкладка, в интерпретации 2 (принадлежащей Эй* леру) — рассмотрение геометрических объектов и их взаимного расположения. И тот и другой метод могут служить как дая вывода следствий из какой-либо системы посылок, так и для контроля того, что в более содержательных интерпретациях 3 и 4 мы не совершили ошибки, сделав вывод на основании каких-либо случайных качественных особенностей объектов, а не на основании фиксированных аксиомами L формальных свя- связей между ними (которые, ведь, и соответствуют законам логики). Эта буквенная интерпретация и была использована Гильбертом в его математических исследованиях (см.§14,стр.38). * 51
3. Для нас здесь важно было лишь иллюстрировать следующее общее положение: общие, абстрактные построения, опирающиеся на систему аксиом L, имеют своим предметом изучения взаимную связь между определяемыми аксиомами L символами. Результаты будут верны для всякой интерпретации, в которой осуществлены связи той же формальной структуры. Возможность различных качественных интерпретаций одних и тех же соотношений настолько характерна для математиче- математического метода, что в известном порядке идей эта возможность может быть положена в основу определения предмета мате- математики как науки о таких взаимоотношениях действительности, которые допускают различные качественные интерпретации и могут поэтому быть названы, в философском смысле слова противоположения качественному, количественными соотно- соотношениями действительности. В каждой ветви математики изучаемые количественные соот- соотношения выделяются системой аксиом, устанавливающей те вза- взаимные связи между основными понятиями данной дисциплины, которые и составляют предмет исследования. Говоря, что си- система аксиом, фиксирующая эти взаимные связи, является сов- совместным определением основных понятий, мы хотим подчерк- подчеркнуть, что все дальнейшие построения должны основываться на зафиксированной в аксиомах системе связей, а не на каких- либо добавочных случайных особенностях объектов. Этим тре- требованием мы закрепляем в качестве предмета изучения именно интересующие нас количественные соотношения и обосновы- обосновываем уверенность в том, что все выводы будут иметь место при любом конкретном истолковании аксиом. Приведение примеров различных интерпретаций играет в отношении уяснения значения аксиом как абстрактного выражения общих всем интерпретациям количественных свя- связей ту роль указаний типа „вот эта изучаемая связь", „вот это тоже эта же связь", „а вот это не эта связь", о которых мы уже говорили выше в начале § 4. 4. Всякий закон построения некоторой бесконечной последо- последовательности rt|, #21 ^3j ¦ ¦ ¦» ^т может быть использован для построения соответствующей интерпретации системы аксиом Пеан о. Приведем примеры. I. Пусть 1) термин „единица" означает: произвольное постоян- постоянное число я, большее 1; 2) термин „непосредственно следует за" означает: „равно квадрату"; 3) „натуральное число1" означает: „степень числа а, показа- показатель которой есть какая-либо целая неотрицательная степень двойки". Легко^ убедиться, что положения 1 -4 при этом выполнены. „Первый", т.^ е. не равный квадрату никакого другого элемента определенной таким образом совокупности, есть а. „Следующий" 5'
за ним, согласно нашей интерпретации термина „следуЮщИй« есть я3, „следующий" за этим а4 и т. д. II. Пусть 1) „единица" означает: данный отрезок АВ\ 2) „непосредственно следует за": „равен половине". В этом случае „система натуральных чисел" будет иметь значение: „совокупность, состоящая из отрезка АВ и всех его чолей, получаемых при делении его на представляющее степень двойки число частей". III. Пусть 1) „единица" означает: „некоторый человек Xй \ 2) „непосредственно следует за11: „отец". Здесь мы определяем в качестве „системы натуральных чисел" совокупность, состоящую из X и всех его предков по мужской линии. Если допустить, что имена всех этих лиц раз- различны, то можно было бы эти имена использовать для счета на совершенно равных правах с обычными числами (относи- (относительно введения арифметических операций см. следующие па- параграфы). Отметим только, что наше определение носит фор- формальный характер и не стоит ни в какой связи с вопросом о реальном существовании определяемой совокупности (ср. § 16). Наконец, когда мы просто определим последовательность каких-либо знаков Л, V» - • ¦ по какому-либо закону, удовлетворяющему требованиям 1~ 4 то этим самым мы также осуществляем некоторую интерпрета- интерпретацию рассматриваемых понятий. Можно сказать, что, кроме положений 1—4, в каждой такой интерпретации вводятся некоторые добавочные^ в этом смысле слова качественные признаки определяемых объектов. В одной интерпретации это то, что эти объекты-—буквы, в другой, что это такие-то числа или такие-то знаки. Говоря, что мы имеем в виду общее понятие о порядковом натуральном числе, мы отвлекаемся от этих добавочных признаков как несущественных, требуя, чтобы все выводы де- делались лишь на основе положений 1—4. Все такие выводы по отношению к терминам „единица", „на- „натуральное число", „следующий за" будут иметь место, в соот- соответствующем истолковании, для элементов каждой из последо- последовательностей, построенных путем различных интерпретаций этих терминов. Это мы и выражаем, говоря, что понятие „порядковое нату- натуральное число", определяемое системой аксиом Пеано, есть не что иное, как общее абстрактное понятие о порядковом месте элемента в расположенных совокупностях некоторого опреде- определенного типа {последовательностях). При этом общая логиче- логическая характеристика того, совокупности какого именно типа имеются в виду, т. е. характеристика понятия последова- телъностщ и заключена в положениях 1—4. 5. Для уяснения роли каждого из этих последних в этом отношении мы рассмотрим примеры расположенных совокупно- 53
стей, удовлетворяющих не всем четырем требованиям. При этом отношение „следования" мы будем в числовых примерах интерпретировать расположением „рядом справа" или „рядом, в направлении стрелки", не останавливаясь на соответствующей арифметической формулировке. I. Вот множество („двусторонний ряд") _ J_ _L 194R1R Здесь не выполнена первая аксиома. В системе нет элемента, не следующего ни за каким, т. е. нет „единицы" („нет элемента, играющего роль единицы в смысле определений 1—4"). Четвертая аксибма теряет в связи с этим смысл. Ее можно, однако, было бы заменить принципом „двусторонней" индукции (см. § 23). II. Круговое расположение (черт. 1): здесь также не выпол- выполнена первая аксиома. В связи с этим отпадает утверждение, соответствующее теореме 4 § 15. III. Множество з, 4, 5, 6, 7, 8. Не выполнена вторая аксиома. IV О 1 9 A R IV. \J3 . . ., ^ , , , 1, .?, t, О, Не выполняются вторая и четвертая аксиомы (нуль играет роль единицы). V. Множество, изображенное на чертеже 2. Не выполнена третья аксиома. VI. 1, 3, 5, 7, ... « О, -* 2, 4, 6, 8, ... Не выполнена вторая аксиома. VII. ? з з г ¦ в в Черт. 3. 54
Нуль играет роль „единицы". Не выполнены третья и четвер тая аксиомы (нуль — четное число, если п — четное, то и сле- следующее за ним четное; однако не все элементы четные). 2 з iSV ^^Ve 7 а о т • * а Здесь не выполнены вторая и третья аксиомы. IX. 10, 100, 1000, ..., ~, g . ~3 -- 1, 2, 4, 8, ... Здесь не выполнена одна только четвертая- аксиома. Пер- Первый член —10, если л-ый—-целая положительная степень 10-ти, то и следующий есть степень 10-ти; однако не все элементы суть степень десяти. Обратим в связи с этим примером внимание читателя на роль принципа полной индукции в фиксировании смысла неопреде- ченного выражения „и так далее" в фразе „первый элемент, затем второй, затем третий и так далее", грубо передающей идею последовательности, точной логической характеристикой которой и служит, как выясняется из примеров I—IX, система аксиом 1—4. В известной мере эти же примеры служат отве- ответом на вопрос о взаимной независимости аксиом, на котором мы здесь останавливаться не будем. 6. Подчеркнем в заключение настоящего параграфа, что исходная интерпретация системы аксиом Пеано, в которой тер- термины „единица", „натуральное число" и „непосредственно сле- следует за" имеют свой обычный количественный смысл, получается, в частности, если дать известные уже нам логические опреде- определения этих терминов: 1) „единица": класс множеств М, состоящих из одного эле- элемента, т. е. таких, что если а /И и 6сД то ^ и й тожде- тождественны (стр. 28); 2) „непосредственно следует за": „следующий" в смысле определения 3 (§11, стр. 29) этого термина для классов, т. е. класс множеств, получающихся из множеств предыдущего класса присоединением множества, состоящего из одного элемента (определение 2 § 11); 3) „система натуральных чисел" система классов конеч- конечных множеств. Иногда сначала устанавливают систему аксиом 1—4, а затем дают приведенную здесь интерпретацию, сообщающую опреде- определяемым терминам их обычное количественное значение. Мы предпочли обратный путь как более естественный и более приспособленный для выяснения ряда методологических во- вопросов. 55
В связи с этим следует иметь в виду, что теоремы следую- следующих параграфов, в которых мы займемся систематическим выведением следствий из аксиом 1—4, относясь к более абстракт- абстрактной области учения о последовательностях и являясь в ^том смысле более общими, в своей количественной интерпрет ции будут выражать лишь известные уже нам (§ 15) свойства конеч- конечных количественных чисел как классов конечных множеств. § 19. Метод индуктивных определений Грассмана. Усвоивши основную для нас сейчас точку зрения на систему натуральных чисел 1, 2, 3, 4, ... как на систему порядковых чисел, определяемую лишь положениями 1—4 § 17, читатель поймет, что дальнейшие построения наталкиваются на трудно- трудности, как только мы перейдем к определению основных опера- операций над числами. В самом деле, каким образом, имея дело с последовательностью, скажем, а, Ь, с, d, е, ..., можно притти к заключению, что b -f- с = е, если Ь, с и е имеют лишь порядковый смысл, т. е. если при установлении указанного положения употребление этих знаков в количественном смысле методологически незаконно? Предпошлем систематическому изложению теории Грас- Грассмана, изящным образом преодолевшего указанные трудности путем применения метода индуктивных определений и дока- доказательств, следующий элементарный пример, поясняющий этот метод. Пусть речь идет о сумме натуральных (количественных) чисел от 1 до //. Мы можем, конечно, написать sn=l-' 2 + 3 L ... -|-л. Однако в этой формуле имеется знак n-f- ... \-и, имеющий конкретный смысл, передающийся лишь словесным описанием. Попытаемся облечь определение числа sn в такую форм\, которая, не включая неопределенных символов типа я-|- ... -)-", была бы по содержанию равносильна первоначальному опреде- определению. С этой целью заметим, что, положив s, = l, sa = l-f-2, мы можем вместо слов „и так далее, sn= 1 +2 + ...-}-и" указать общий закон перехода от суммы 5Л_, к следующей — sn, поло- положив для любого п ^ Это равенство в соединении с вполне определяет значение символа sn для любого натураль- натурального числа я. 56
Такого рода определение значения sn мы назовем индук- индуктивным или рекуррентным определением. Естественно, что и свойства суммы sn придется доказывать методом полной индукции. Так, для доказательства формулы достаточно убедиться, что 1-2 и что допущение влечет за собой в соответствии с равенством (п— \)п формулу s = которая, таким образом, оказывается доказанной для всех зна чений натурального числа п. Метод Грассмана и заключается в построении индуктивных определений и доказательств для основных арифметических действий и их свойств. § 20. Теория арифметических действий по Грассману. Итак, мы исходим из натурального ряда f ?j tJy a • .у fbj ТЪ , . . а, в котором элемент 1 не следует ни за каким элементом, за каждым элементом п непосредственно следует один и только один элемент п\ который не следует ни за каким другим эле- элементом, кроме п, а предложения, утверждающие что-либо от- относительно всех элементов ряда, доказываются на основании принципа полкой индукции. (Обратим внимание на то, что элемент, следующий за дан- данным, мы обозначаем знаком „'", избегая, например, употреблять вместо п' знак л + 1, так как для порядковых чисел п и 1 сло- сложение еще не определено и не имеющее пока никакого смысла обозначение п -\-1 могло бы вызвать нежелательные количе- количественные ассоциации.) 1. Грассмановское индуктивное определение операции ело™ жения состоит из двух положений: 2) а + V = Первое из этих равенств есть определение операции, обо- обозначенной знаком —|— 1, и может быть прочитано так: 57
I) прибавление единицы к какому-либо натуральному числу а есть, по определению, действие, дающее в результате непо- непосредственно следующее за а натуральное число а'т Второе положение есть индуктивное определение операции прибавления любого натурального числа. Это становится оче- очевидным, если в словесной формулировке начать со скобок пра- правой части: если уже известно, что означает знак -\-Ь прибав- прибавления натурального числа Ь, то смысл знака -\-ЬТ фиксируется определением: 2) операция а-\-Ь* прибавления к числу а непо- непосредственно следующего за Ъ числа V, по определению, есть действие, дающее в результате непосредственно следующее за а~\-Ь натуральное число (а-\-Ь)'т Пользуясь тем, что знак а-\-1 имеет теперь вполне опреде- определенный смысл следующего за а числа а', можно эту вторую часть грассмановского определения переписать так: Эта формула определяет, таким образом, что значит „приба- „прибавить число ?Ч~1", если известно, что значит „прибавить число Ьи и „прибавить 1". • Так как из утверждения, что п есть натуральное число, согласно аксиоме 2 вытекает, что п* есть натуральное число, притом вполне определенное, то из равенства a -j- b' = (a -j- b)' заключаем, что сумма а-\-Ь' есть вполне определенное нату- натуральное число, коль скоро а и а-\-Ь суть натуральные числа. Так как, кроме того, а-\-\=а'9 то, согласно аксиоме 4, заклю- заключаем, что сумма натурального числа а и любого натурального числа b есть некоторое натуральное число, притом вполне определенное. Операция сложения, таким образом, всегда выпол- выполнима и однозначна в области натуральных чисел. Приведем пример нахождения суммы с помощью определе- определения Грассмака, изображая натуральный ряд последовательностью 6укв A.B,C,D,E,... Так как А как первый член ряда есть „единица", то опре- определение Грассмана перепишется в виде: = Х9 B) Получаем последовательно: (так как В = Л1). Далее, по общей формуле B) продолжаем: Но так как А-\-А = В9 то Итак, 38
Аналогично найдем, что В + В = В + А = (# + А)' = (В'У =С Легко видеть, что эти соотношения, при выводе которых мы намеренно употребили буквы вместо цифр для того, чтобы подчеркнуть пользование лишь порядковым смыслом этих зна- знаков, превращаются в известные числовые тождества ; 1=2, 1+2 = 3, 2 + 2 = 4 и 2 + 3 = 5, если обозначать начальные числа нашей последовательности цифрами 1, 2, 3, 4, 5, ... вместо букв Л, В, С, D, Е, ... Эти цифры при этом не имеют количественного смысла. Так, 2 опре- определяется соотношением 2 = Г, т. е. как элемент, следующий за 1, 3 — как 2' и т. д. Следует в связи с этим помнить, что в рамках рассматри- рассматриваемой теории нельзя было бы определять а-\~Ьу как элемент натурального ряда, стоящий на b мест, правее, т. е. получаю- получающийся путем Ъ последовательных переходов, начиная от а9 к непосредственно следующему числу, так как такое определе- определение опирается на количественное истолкование второго слага- слагаемого Ь. Применение же грассмановского индуктивного определе- определения автоматически вызысает осуществление требуемого числа последовательных переходов к следующему натуральному числу в каждом конкретном случае сложения двух натуральных чисел. Аксиомы 1) а-\-\=а' и 2) a-\-b' = (a-\-b)' позволяют, таким образом, от количественных описаний содержательного харак- характера („на Ь мест правее") перейти к формальным операциям с соотношениями типа 1) и 2), не требующим непосредственного осуществления процесса счета. Этот переход, характерный для математического метода вообще, дает возможность уже и здесь применять выкладку, основанную на формулах 1) и 2), как одно из основных средств для получения тех или иных результатов, как общего, так и частного характера. 2. Установим теперь основные свойства операции сложения. Знакоположение типа А + В + С+D означает в дальнейшем, соответственно общепринятым соглашениям о применении гко- бок, то же, что и [(Л + В) + С] + D. Теорема 1 (ассоциативный закон сложения) Доказательство. При г=1 это равенство имеет место, согласно определению сложения. Допустим, что оно доказано для некоторого натурального числа г и докажем, что тогда оно верно и для следующего числа г\ По определению сложения 59
По допущению (р-\-д)-\-г=р-\-(q-f-r), стало быть Применяя вновь дважды определение сложения, получим далее, [р + (* + г)]' =р + fo + г)' =р + (* + г'). Этим доказано, что Согласно с аксиомой 4 ассоциативный (сочетательный) закон сложения этим доказан для всех натуральных чисел. Следствие. Если в этом равенстве числу п придавать количественный смысл числа слагаемых, то оно доказывается по методу полной индукции так: Первый и последний из написанных знаков равенства имеют место в силу допущения, что формула верна для п-—1 слага- слагаемого заключенной в скобки суммы, второй согласно той же формуле для двух слагаемых. Если, однако, нежелательно придавать индексу п количе сгвенное значение, то придется и здесь поступить аналогично тому, как это было сделано выше в § 19. Именно, определение для sn=An будет таково: а для таково: Надо доказать, что при всяком п. Для п = 1 это верно, так как А-\-а1 = А-\-а1. Далее, допуская справедливость доказываемого равенства для числа п9 получим: чем теорема и доказана. Можно также написать в несколько более общей форме ап)-\-В. Теорема 2 (коммутативный закон сложения) 60
Доказательство. Установим сначала, что р-г 1 = \-гр при любом р. Для /?—1 это верно. Пусть это равенство верно для некоторого р. Тогда Здесь нами использовано определение сложения (первое и чет- четвертое равенства), допущение /?+1 —I-)-/7 (второе) и ассоциа- ассоциативный закон сложения (третье равенство). Этим установлено, что формулаp-\-q = q~\-p верна при q = \ и при любом /?. Допустим, что она доказана для некоторого q. Тогда Здесь использованы; определение сложения (первое, третье, четвертое и седьмое равенства), допущение p-\-Q = Q~\-P (вто- (второе и пятое равенства) и ассоциативный закон сложения (шестое равенство). Согласно аксиоме 4, коммутативный (переместительный) закон сложения этим доказан для всех натуральных чисел. Отметим попутно полученное в качестве промежуточного ре- результата тождество Из теорем A) и B) вытекает тождество выражающее переместительный закон в несколько более общей формулировке. 3. Определение умножения в обычной форме n-b = b-\- + ... \-Ь („я раз") предполагает количественный смысл множителя п как числа слагаемых. В теории Грассмана рекуррентное определение умножения состоит из двух положений 1) 1-а —а; 2) V - а = Ь • а- а. Соответствие этого определения обычному читатель уяснит себе лучше всего, если будет рассматривать первый сомножи- сомножитель как множитель (коэфициент). Применение этих формул к конкретным случаям автоматически вызывает появление того числа слагаемых, которое требуется согласно обычному опре- определению. Примеры. 2-а=Г-а=1-а + а = а + а; 3 • а = 2' • а = = 2 - а-\ а = а Равенство 1 -а = а отвечает на вопрос, „что значит умножить число а на 1", а соотношение V - а — Ь • а-{-а, которое можно записать также в виде (b-\~l)a = ba + a, 61
выражает, что результат умножения числа а на следующее за b число Ь' равен, по определению, произведению числа а на Ъ сложенному с числом а. Из определения следует, что результат умножения а на 1 есть натуральное число, притом вполне определенное. На осно- основании формулы b'a= ba-\~a и соответствующего свойства опе- операции сложения заключаем отсюда, что результат умножения а на всякое натуральное число b есть натуральное число, притом вполне определяемое числами а и Ь. Операция умножения, таким образом, всегда выполнима и однозначна в области натуральных чисел. Теорема 3 [дистрибутивный закон умножения по отно- отношению к сложению („левый")]. Доказательство. При d=\ это равенство обращается в 1 • (а -\- Ь) = 1 • a-f-1 * b, т. е. a-\-b = a Пусть для натурального числа d оно доказано. Тогда Здесь использованы: определение умножения (первое и чет- четвертое равенства), допущение (второе равенство) и перемести- тельный закон сложения (третье равенство), левый распреде- распределительный закон («для того, чтобы сумму умножить на число, достаточно каждое слагаемое умножить на это число и полу- полученные произведения сложить"); правый распределительный за- закон (случай, когда множитель есть сумма слагаемых) будет вы- вытекать отсюда после того, как будет доказана Теорема 4 {коммутативный закон умножение) ab = Ьат Доказательство. Установим сначала, что а • 1 = 1 - а при любом а. Для а = 1 равенство верно. Пусть оно верно для некоторого а. Тогда а' - l=a*l-\-l = ] -a+l=a-f l=a' = Здесь использованы: определение умножения (первое, третье и пятое равенства), допущение (второе равенство) и определение сложения (четвертое равенство). Доказав, таким образом, что равенство ab = ba имеет место при любом а для b=\y допустим, что это равенство доказано для некоторого b=fr\. Тогда 62
Здесь применены: определение сложения (первое равенство), левый распределительный закон (второе равенство), доказанное равенство а -1 = 1 • а (третье равенство), допущение ab = ba (четвертое равенство) и определение умножения (пятое равен- равенство). Этим коммутативный (переместительный) закон умножение доказан для всех натуральных чисел. Следствие („правый" распределительный закон). (а-\-Ь)с = ас-\- be. Для доказательства достаточно написать (а -\~ Ь) с = с (a -f- Ь) = са -|~ cb = ас -f- be Теорема 5 (ассоциативный закон умножения). a (be) = (ab) с. Доказательство. Для а=1 написанное равенство пре- превращается в 1 • (Ьс) = A • Ь)с, т. е. bc = bc. Допустим, что оно доказано для натурального числа а. Тогда Здесь применены: определение умножения (первое и четвер- четвертое равенства), допущение a(bc) = (ab)c (второе равенство) и распределительный закон (третье равенство). Этим сочетательный закон умножения доказан для любых натуральных чисел. Так как все изучаемые в арифметике преобразования являются следствием установленных законов операций, то теорию основ- основных арифметических действий можно считать, таким образом, обоснованной. Рекуррентные рассуждения, совершенно аналогичные приме- примененным при формулировке и доказательстве следствия теоремы 1 (стр. 60), позволяют обобщить дистрибутивный, коммутативный и ассоциативный законы на случай любого числа слагаемых и сомножителей. Провести это мы предоставляем читателю. Для активного усвоения метода можно, кроме того, предложить чи- читателю в качестве упражнения установить соответствующее определение операции возвышения натурального числа в нату- натуральную степень и доказать известные свойства этого действия, выражаемые формулами аь-ас = аь+с и (ab)c = abc. Небесполезно также попытаться строить различные варианты изложенной теории, изменяя порядок следования теорем 3, 4 и 5 настоящего параграфа. § 21. Сравнение натуральных чисел в теории Грассмана. Поскольку, рассматривая элементы натурального ряда, как порядковые числа, мы не можем опираться, как в теории коли- 63
чественного числа, на понятия о большей или меньшей мощности» лридется здесь провести в несколько иной форме рассуждения, вполне аналогичные тому, что было уже сделано в § 15. За исходный пункт можно было бы принять соотношение а<^а' и свойство транзитивности отношения „<С"- Ради фор- формальной простоты изложения мы поступим иначе, приняв Определение 1. а<^Ь и Ь^>а, если b = a~f-n, т. е. ми говорим, что натуральное число а меньше натурального числа Ь, если это последнее есть сумма числа а а некоторого нату- натурального числа п. Следствие. а<^а-\-\, т. е. а<^а\ Теорема 1. Если а<^Ь и Ь<^с то а<^с (свойство тран- транзитивности соотношения „<"). Доказательство. По определению Ь = а-\-п и с = Ь-\-т. Стало быть, с = (a -f- п) -|- т = а + [п -\~ т). Теорема 2. Всякое натуральное число, отличное от 1 больше 1. Доказательство. Для числа 2= Г, следующего за 1, это верно, так как 1' = 1 —f— 1. Из неравенств а'^>а и я^>1, по теореме 1, следует я'>1 и, стало быть, если соотношение а^>\ верно для числа ау то оно верно и для следующего числа а'. Этим теорема доказана для всех натуральных чисел, начиная с числа 2 = Г. Теорема 3. Соотношения а = Ь, а<^Ь и а^>Ь .исключают друг друга. Доказательство. I. Пусть а<^Ь, т. е. b — а \-п. Равенство л —Z? влечет а , -\-п = а или п-^~а = аш Для а = 1 получаем п-\-1 = 1, т. е. /г' ^= 1, что невозможно, так как по определению (аксиома 1) единица не следует ни за каким натуральным числом. Пусть теперь невозможность равенства а-\-п — а доказана пя натурального числа а. Докажем, что отсюда будет следо- следовать невозможность равенства а1 -п = а'. Действительно, переписав его в виде п + а' = (п + а)' ='а\ мы заключили бы, согласно аксиоме 3, что п-\-а = а. Этим доказано, что соотношения а<^Ь и а = Ь исключают друг друга, каковы бы ни были натуральные числа а и Ъ, II. Пусть а<^Ь и одновременно а^>Ь. Тогда, по определе- определению, вместо а^>Ь можно написать Ъ<^а и, по теореме 1, из соотношений а<^Ь и Ь<^а вывести а<^а3 что, по доказанному в I, невозможно.
Г е о р е м а 4. Л4ежду всякими двумя натуральными числами имеет место одно из соотношений или Доказательство. Рассмотрим какое-либо натуральное число а> и проведем индуктивное рассуждение по отношению к другому числу Ь. Если b = l, то либо а = \ и тогда а = Ь, либо (теорема 2) 1 т. е. а^>Ь. Пусть доказано, что для числа а и для числа b одно из со- соотношений a = by а<^Ь или а^>Ь имеет место. Докажем, что то же утверждение будет верно для числа а и для числа Ь': 1) если а<^Ь, то, так как b<^b'y то a<C^b'\ 2) если а = Ь> то, на том же основании, а<^Ь'; 3) если а^>Ь, то а = Ь-{-п. В соответствии с теоремой B) здесь возможны два случая: либо л = 1, тогда а — Ь-{-1=Ь'] либо /г^>1, тогда п=1--{-т и т. е. а Теорема доказана полностью. Как видим, аксиомы 1 и 3 играют решающую роль в одно- однозначном определении взаимного расположения чисел в натураль- натуральном ряду. Нетрудно заметить также, что доказательство соответ- соответствующих теорем § 15 проведено нами по тому же формальному образцу, с той лишь разницей, что роль соотношения а -\- п = b ам выполняют соответствующие количественные определения. § 22. Введение нуля. После того как система натуральных целых положительных чисел построена (§ 17—21), можно с помощью формальных определений расширить эту систему и ввести нуль и отрица- отрицательные натуральные числа. На общих вопросах, связанных с расширением понятия о числе, мы остановимся в следующей главе, затронув здесь лишь ту сторону дела, которая непосред- непосредственно связана с теорией Грассмана. Определение. Введем в качестве натурального числа символ 0, поставив его на первое место ряда, перед единицей, и изменяя соответственно текст положений 1—4 § 17. Мы полагаем, стало быть, по определению, 1) О' = 1. Распространяя на это число общее определение сложения, получим 0+1=0' = 1 и следовательно, вообще О -j- a = а. 5 Теоретическая арифметика.—1717.
2) Так как нуль предшествует 1, то из общего определения сложения ничего не может вытекать относительно операции прибавления нуля. Мы полагаем, по определению (сохраняя тем коммутативный закон и соответствие с количественным опре- определением стр. 44), Распространяя на число нуль общее определение умножения, получим: 1-0 = 0 и b' -0 = b -0-\-0 — 0 по индукции. Стало быть, вообще 3) Так же, как и для сложения, соотношение устанавливается как определение. Согласно с определением понятия „<О> нуль меньше 1 и всякого другого натурального числа. Таким образом, в расширенной введением нуля системе все свойства действий и расположения чисел остаются в силе. Можно было бы с самого начала включить 0 как первый элемент в систему натуральных чисел и соответственно строить определения действий; так и поступает Пеано (см. примечание на стр. 48). Выбор способа изложения в этом отношении для теории существенного значения не имеет. § 23. Отрицательные числа и теория двустороннего натурального ряда. Вводя знак 'а для обозначения предшествующего а элемента натурального ряда, так что мы можем построить теорию так называемого двустороннего натурального ряда ... , ¦ о, 2, — 1, 0, -f-1, -f- 2, -j- о, ..., причем —1 вводится здесь как элемент, предшествующий 0, т. е. — 2 как элемент, предшествующий —1, т. е. -2=4-1), и т. д. Аксиоматика такого расположения будет отличаться от аксио- аксиоматики простого натурального ряда. Аксиома 1 отпадает, так как (покуда нет речи о действиях, а имеется в виду лишь взаимное расположение элементов) ни- никакой из элементов ничем не выделяется из среды других. Это 66
становится наглядным, если отказаться от цифрового обозначе- обозначения и писать • • • У &Ш J9 fe> **> • • • Аксиома 2 дополняется требованием однозначного соответ- соответствия каждому элементу п непосредственно предшествующего элемента 'п, в связи с чем аксиома 3 отпадает, а в аксиоме 4 формулируется принцип двусторонней индукции: если предло- предложение S доказано для какого-либо элемента ряда и если из допущения, что оно верно для п, следует, что оно верно для последующего элемента п' и для предыдущего 'л, то предло- предложение 5 доказано для всех элементов ряда. Нетрудно дополнить определения основных действий, данные в § 20, так, чтобы охватить все элементы двустороннего нату- натурального ряда, т. е. нуль, положительные и отрицательные целые числа. Так и поступал Грассман в своем учебнике ариф- арифметики. Наметим в основных чертах соответствующую теорию. 1. Так как в действиях сложения и умножения число 0 и число 1 играют особую роль, удовлетворяя соотношениям а-\- ~\-0 = а и 1-а = а, не имеющим места ни для каких других натуральных чисел, то установление определения этих действий сопряжено с одновременным выделением (индивидуализацией) одного из элементов симметричной двусторонней последователь- последовательности ,.., а, Ь, су ..., в которой первоначально все элементы равноправны. Выбрав такой элемент и обозначая его знаком 0, мы можем прежде всего выделить совокупность „положительных" чисел с помощью определений: 1) Следующее за 0 число 0' = 1 есть положительное число. 2) Если п есть положительное число, то следующее за ним пг тоже есть положительное число. Присоединяя сюда формулированные выше свойства двусто- двустороннего ряда, мы видим, что система определенных таким путем чисел будет удовлетворять аксиомам 1—4 § 17 и, следовательно, теория действий может быть для нас построена по образцу § 20. То же имеет место и для системы „отрицательных" чисел, выделяемых с помощью определений: 1) Предшествующее нулю число '0 = —1 есть отрицатель- отрицательное число. 2) Если п есть отрицательное число, то предшествующее ему число 'п также есть отрицательное число. Для того чтобы получить определения действий, общие для всего ряда, поступим так. Введем в определение действия сложения (§ 20) знак пре- предыдущего элемента вместо знака последующего. Формула a -f- V = (а -\- Ь)' после замены b' = c, b = 'c превращается з а-\-с=^(аТ\-§с)\ или 67
Для системы положительных чисел это соотношение выте- вытекает, таким образом, из определения сложения. Взяв его за основу для проведения левосторонней индукции, мы получим возможность определить операцию а-\-Ъ для всех отрицательных значений Ь Так, и т. д. Итак, для двустороннего натурального ряда определение сло- сложения заключает в себе три формулы: A) B) и а -\-'Ь = '(а + Ь). C) Установление общих свойств действия представляло бы собой повторение рассуждений § 20 путем левосторонней индукции. 2. Прежде чем перейти к определению умножения, устано- установим понятие о симметричном числе и рассмотрим действие вы- вычитания, обратное действию сложения. Теорема 1. Всякому числу п соответствует одно и только одно число п, удовлетворяющее соотношению п-\-п = 0. При этом, если п есть положительное, то п — отрицатель- отрицательное число, и наоборот. Число п мы будем называть числом симметричным с я. Из определения следует, что л = л. Доказательство. Заметим предварительно, что, согласно с определением сложения, всегда Полагая л=1, из равенства 1+л: = 0 находим 1 -\-х = х' =0, откуда число х, симметричное с 1, определяется однозначно: Допуская, что для числа п симметричное число п, удовле творяющее соотношению п-\-п = 0, однозначно определено, из соотношения получим: откуда, по допущению, следует: х' = п, т. е. 63
1 аким образом, симметричное с п' число п' однозначно опре деляется по формуле х = п' = ' Аналогично, равенство 'п-\-х = 0 приведет к х = 'п = (п)'. Из этих формул (которые можно было бы принять и за определение понятия симметричного числа) индуктивным путем заключаем, что положительным п соответствуют отрицательные пу и наоборот. Для нуля, очевидно, 0 = 0. Теорема 2. Каковы бы ни были элементы двустороннего ряда а и Ъ, всегда существует одно и только одно третье число с, удовлетворяющее соотношению Это число с называется разностью чисел а и Ъ и обозначается знаком с = а — Ь. Доказательство. Число с = а~\-Ь есть искомое; дей- действительно, Другого такого числа быть не может, так как из равенства c-\-b = cY-\-b вытекает или с-\-0==с1 -{-О; c = cv Обратная сложению операция вычитания оказывается, таким образом, для элементов двустороннего ряда всегда выполнимой и однозначной. Примечание. Действию а — b можно было бы также дать рекуррентное определение: Доказать теорему 2 на основе этого определения мы предоставляем читателю в виде упражнения. Из изложенного вытекает, что, сохраняя для положительных чисел прежнее определение отношения „^и , если Ь = а-\-п, где п есть положительное число, мы можем, распространяя это определение на совокупность всех элементов двойного ряда, установить этим однозначное расположение этих последних „по величине". __ _ Действительно, если а^>Ьу то Ь — а-\-п и здесь п есть, по доказанному, некоторое отрицательное число. 69
Следовательно, a^>b, a = b или a<CJ>y в зависимости от того» будет ли разность а — b положительным числом, нулем или отрицательным числом. Отсюда следует непосредственно обобщение соответствую- соответствующих теорем § 21 для двустороннего ряда. В частности, 'а— а = —1, так что 'а<^а. Все отрицательные числа, таким образом, меньше 0 и всех положительных чисел. 3. Для того чтобы получить общее определение умножения* преобразуем формулу b'a = ba-\-a, полагая Ь' = с. Мы получим са = 'са-\-а, откуда (теорема 2) 'са =^са — а = са ~\- а. Путем левосторонней индукции получаем отсюда определе- определение умножения для любого отрицательного множителя. Так, Умножение на — 1 осуществляет, таким образом, переход к числу, симметричному с данным 2) а = \—\)а = (—1)а + а=а+я=2 -я и т. д. Предоставляем читателю доказать, что вообще и, в частности, __ _ b • а = Ьаи Доказательство основных свойств операции умножения, опре- определяемой системой равенств \ = са—а, мы также опускаем. Как для ряда положительных чисел, так и для двустороннего ряда установленные определения и основные свойства арифме- арифметических действий служат отправной точкой для дальнейшие построений, не представляющих, как было уже отмечено, ника- никаких принципиальных трудностей. На этом мы заканчиваем первый раздел, посвященный обо- обоснованию понятия целого числа и действий над целыми числами. Прежде чем перейти к следующему разделу, мы остановимся еще на вопросе о связи между концепциями количественного и порядкового числа, к которому, с несколько иной точки зре- зрения, нам еще придется вернуться впоследствии. § 24. Порядковые трансфинитные числа. В теории конечных натуральных чисел имеется, как мы ви- видели, полный параллелизм между формальными свойствами си- 70
стемы конечных количественных чисел (§ 15), достаточных для определения класса каждого конечного множества, и только что (§ 20) построенной системой конечных порядковых чисел, доста- достаточных для определения (путем нумерации) порядкового места элемента во всяком конечном упорядоченном множестве. Смысл этого утверждения ясен. Для формального доказатель- доказательства нужно, однако, прежде всего установить логическое опре- определение понятия „упорядоченное" множество, соответствующее нашим привычным представлениям, 1. Пусть для множества М установлено понятие о взаимном расположении любых двух его элементов по рангу (порядку), которое мы будем обозначать знаком „е", не придавая этому знаку никакого конкретного смысла, а требуя лишь выполнения условий: 1) между всякими двумя различными элементами а и Ь имеет место либо соотношение aeb, либо соотношение Ьеа; 2) соотношение ава не имеет места; 3) если aeb и bee, то авс. Всякое множество, для элементов которого такого рода соот- соотношение установлено, мы будем называть упорядоченным. Примером может служить множество в котором знак е будет означать „расположено слева от", причем 1пЫп+р, bn+pebn и anebp при любых пир. Для построения нужной нам теории придется сузить понятие об упорядоченных множествах, вводя следующее определение: Множество М называется вполне упорядоченным, если оно упорядочено и во всякой его части QczM найдется низ- низший по рангу элемент, т. е, такой элемент qcnQ, что qeqx, если qxciQ и qv^q. Это различение имеет существенное значение лишь для бес- бесконечных множеств. Так, упорядоченное множество аи а2, ..., аю ...; Ьт bn_Y> ..., bu рассмотренное выше, не является вполне упорядоченным, так как в его части ..., bnJ Ьп_1У ..., Ьх нет низ- низшего по рангу элемента. Нетрудно показать, что всякая после- последовательность и, в частности, натуральный ряд 1, 2, 3, 4, ... есть вполне упорядоченное множество. Индуктивно доказывается, что всякое конечное упорядочен- упорядоченное множество вполне упорядочено. Для множеств класса 1 это тривиально. Если это верно для множеств класса п> то пусть Мп+1 есть множество класса л —|— 1, состоящее из Мп и элемента а. В Мп есть, по допущению, наи- наинизший по рангу элемент р. Если аер, то всякая часть множества Мп+и содержащая а, имеет а наинизшим, по рангу элементом, а всякая часть, не со- содержащая а, включается в множество Мп. Если pea, то приходим к тому же результату, меняя роли а и р и представляя Мп+1 как сумму р и множества Мп класса п. 71
Из этого и вытекает высказанное выше утверждение о том что с помощью порядковых натуральных чисел, т. е. элементоь натурального ряда 1,2,3, ..., ранг каждого элемента упорядо- упорядоченного конечного множества может быть обозначен порядко- порядковым числом (номером) так, что элементам низшего ранга соот- соответствуют меньшие номера и всякому промежуточному номеру между двумя натуральными номерами — элемент промежуточ- промежуточного ранга. Действительно, отнеся элементу низшего ранга в М число 1, мы найдем, по доказанному, в оставшейся части множества М элемент низшего ранга. Отнеся ему число 2, найдем в остав- оставшейся части элемент низшего ранга, который снабдим № 3. Если допустить, что такое соответствие установлено для множества класса л, то для множества следующего класса понадобится лишь использовать число п\ как номер. Нумерация оказывается, таким образом, возможной для всякого конечного упорядочен- упорядоченного множества. Поставив тот же вопрос по отношению к бесконечным вполне упорядоченным множествам, мы увидим, что натуральных чисел не хватит для характеристики расположения элементов даже в таком простом вполне упорядоченном множестве, как а, Ьу Су d, ..., х9 ...; zy A) где а, Ьу с, d, ..., х, ... есть последовательность, a z, no опре- определению, находится в отношении xsz к каждому члену этой последовательности. В самом деле, для нумерации членов последовательности понадобятся уже все натуральные числа и охарактеризовать таким числом ранг элемента zy не имеющего непосредственного предшествующего ему элемента, невозможно. Введение Кантором порядковых трансфинитных чисел и можно рассматривать, как естественное расширение натураль- натурального ряда, имеющее целью построить такую систему порядко- порядковых чисел, с помощью которой можно было бы охарактеризовать ранг элемента во всяком вполне упорядоченном множестве. Начнем с частных случаев. Для характеристики положения элемента z сразу после всех элементов некоторой последовательности а, Ь, с, ... мы введем новый знак о), определяя его как первое порядковое трансфи- трансфинитное число, следующее сразу после всех натуральных чисел. Нумерация элементов множества типа A) будет, стало быть, иметь вид lij, Ucj, Ug, . . ., С?л, . . ., Яф. Положение порядкового числа <*) по отношению к натураль ным числам иллюстрируется соответственно схемой 1, Ау о, ..., П, .. Лу о). Пусть теперь дано вполне упорядоченное множество, в ко- котором за всеми элементами некоторой последовательности сле- следуют еще два элемента. Естественно будет ввести порядковое 72
число о) или (в соответствии с прежним определением сложения) »+1 и занумеровать члены такого множества так " Для нумерации элементов множества, состоящего из дв\х идущих под ряд последовательностей, будут использованы, оче- очевидно, все порядковые числа типа 1, 2, 3, ..., п, ...; а), ш-|-1, со-)-2, ..., Порядковое число, непосредственно следующее за всеми этими, обозначим через а)-)-со = 2со, следующее за ним — через 2« -j- 1 и т. д. Читатель легко уяснит себе таким образом смысл схемы 1, 2, 3, ...; о), co-j-1, ...; 2со, 2со-|-1, ...; 3<о, Зсо-)-1, ... Лею, | 2 * 2| и использование ее для нумерации элементов вполне упорядо- упорядоченных множеств соответствующих типов. 2. Перейдем теперь к общей логической характеристике наме- намеченного здесь процесса последовательного построения порядко- порядковых чисел все более и более высокого ранга. Анализируя приемы, употребленные в приведенных выше примерах, мы видим, что, кроме известного уже нам принципа построения непосредственно следующего за данным (а) поряд- порядкового числа (а' = а-|-1), неограниченное применение которого, начиная от 1, порождает натуральный ряд 1, 2, 3, 4, ..., здесь использован второй принцип построения порядковых чисел, не- непосредственно следующих за последовательностью уже по- построенных порядковых чисел. Таким путем были введены порядковые числа со, 2со, ..., «со, ..., со2, оJ-|-о), ..., между тем как промежуточные «4-1, о) , - 2, . .., оJ -j- о) -|- 1, ..., аJ -\- a) -J- 2, ..., оJ + a) -f- n> • • • получены применением первого принципа. Получающаяся на основе неограниченного применения двух принципов — 1) всякому порядковому числу а. соответствует непосред- непосредственно следующее за ним порядковое число а'; 2) всякой последовательности порядковых чисел а„ аа, ..., а„, ... соответствует непосредственно следующее за ней поряд- порядковое число, которое мы обозначим знаком seqan (sequens — следующий) — система порядковых чисел носит название системы поряд- порядковых трансфинитных чисел второго класса. Примечание. Две последовательности ап и рЛ определяют одно и то же трансфинитное число seq an = seq рл, если для всякого элемента каждой из них можно в другой указать элемент более высокого ранга. Так, например, 2, но также <D = seq B п) = seq Bn-j-l); 2<i>=seq (ш-j-tz); or = seq (nu>), 73
по также и seq (/2ш + 1) = ur, seq (лш -f- п) =ш- и т. п. Заметим еще, что, вводя для постоянного трансфинитного числа а и вообще для выражения а, не содержащего индекса п, пробегающего последовательность л = 1, 2, 3, ..., обозначение а = seq а, мы можем формально объединить в один оба прин- принципа 1) и 2) и основанные на них в дальнейшем определения. Аналогично тому, как принцип полной индукции можно рас- рассматривать, как определение того, в каких случаях некоторое предложение S считается доказанным для всех натуральных чисел, здесь придется установить, принимая во внимание второй принцип построения, следующий принцип так называемой транс- трансфинитной индукции: „Предложение S доказано для всех трансфинитных чисел 2-го класса, если оно доказано для 1 и если 1) из допущения, что оно верно для числа а следует, что оно верно для следующего числа о! и, кроме того, 2) из допущения, что оно верно для каждого элемента по- последовательности порядковых трансфинитных чисел вытекает, что оно верно для следующего за ней числа seq аЛ. 3. Соответственно с этим, грассмановские определения основ- основных действий придется дополнить так, чтобы было возможно проведение трансфинитной индукции. Таким образом, присоединяя к определениям § 20 соотно- соотношения мы тем самым определим операции сложения и умножения для всех трансфинитных чисел 2-го класса. Обозначения, принятые нами выше, согласованы с таким определением действий. Так, 2со =1 'сю = сю-|-со — со-}- seq п = seq (со -j- n), coQ = со • со = seq п - со = seq (/tco) и т. п. Переместительные законы сложения и умножения здесь на- нарушаются. И впрямь, 1 -f-co= I -}-seq/t = seq » • 2 = seq n • 2 = seq (n • 2) = со ф 2 со. Сочетательные законы сложения и умножения верны. Для доказательства применим принцип трансфинитной индукции. Допуская, что для элементов -\п последовательности ?„ Y3, ... имеет место равенство 74
найдем: О + Р) + seq Тл = seq [(а -f р) + Т/г] и т. е. для т —seqTn имеет место равенство Аналогично, трансфинитная индукция относительно рл дает (seq рй • а) т = seq (ря • а) - т = seq (pnaY) и так что (Р«)т=Р(«т). Левый распределительный закон, вообще говоря, не имеет места: со (со -J- со) = seq я - (со -J- «и) = seq п • 2 со = seq Bл) со = ша, <и.(ю-|-(ю-<и = (ю2-рсоа=: seq [/ta> -f- о)] — 2 (о2. Правый распределительный закон верен. Проведем трансфинитную индукцию, допуская, что верна фор- формула и доказывая, что отсюда будет следовать если Т = seq у*, а именно: Обратим внимание на отличие законов действий над количе- количественными и порядковыми трансфинитными числами. Для количественных чисел переместительный, сочетательный и распределительный законы имели место, но зато были возможны соотношения типа и т. п. (§ 9), для порядковых чисел <*, 2 а ф а, а2 между тем как законы переместительный и распределительный не соблюдены. 4. В теории конечных натуральных чисел каждое число можно рассматривать и как количественное и как порядковое: формаль- формальные свойства тех и других там совпадают, — расщепление про- происходит лишь при переходе к трансфинитным числам, в теории которых становится, таким образом, явным логическое различие между идеями порядкового и количественного числа, сливаю- 75
щимися б области конечных чисел в одно понятие натурального числа. Введение порядковых трансфинитных чисел изложенным выше способом оттеняет, кроме того, ту роль, которую играе/г прин- принцип полной индукции в фиксировании смысла выражения „и так далее*1 или „все" по отношению к системе натуральных чисел 1, 2, 3, ... Тот же способ выражения по отношению к системе трансфинитных порядковых чисел имеет, как мы видели, совер- совершенно иной смысл, фиксируемый принципом трансфинитной индукции. Возможна и несколько иная трактовка понятия порядкового числа, при которой определение основных действий получает более наглядное истолкование, а самое понятие порядкового числа получается в результате абстракции от свойств одинаково расположенных множеств в полной аналогии с тем, как в § 4 было установлено понятие количественного числа. На место понятия класса равномощных множеств становится здесь понятие класса или, согласно выражению Кантора, по- порядкового типа одинаково расположенных множеств. Два вполне упорядоченные множества М и N принадлежат, по определению, к одному и тому же типу (одинаково распо- расположены), если между ними можно установить взаимно одно- однозначное соответствие так, что соответствующие элементы одинаково расположены друг по отношению к другу в обоих множествах. Порядковое число и есть понятие класса (порядкового типа) одинаково расположенных множеств. Так, число 3 есть понятие класса множеств типа а, Ъ, с, где Обозначая тип пустого множества знаком 0, тип множества из одного элемента через 1, тип множества 0, 1, где Oel, поряд- порядковым числом 2, мы можем определить следующее за данным начальным отрезком порядковых чисел О, 1, 2,.3, ... , п нату- натуральное число п', как тип множества всех предшествующих ему порядковых чисел О, 1, 2, 3, .., п, рассматриваемых в указанном порядке. Аналогично с этим порядковое число <о, следующее за всеми конечными порядковыми числами, есть тип множества этих чисел а а • т. е. порядковый тип всех последовательностей Число со', следующее за со, характеризует тип множества пред шествующих ему порядковых чисел О, 1, 2, 3, ..., п, ...; со и т. д. 76
Соединяя два вполне упорядоченных множества М типа а и N типа р в одно так, чтобы все элементы М предшествовали элементам N с сохранением как в Му так и в N взаимного рас- расположения, мы определим порядковое число a-f~P как порядко- порядковый тип полученного таким путем множества. Так, соотношение обозначает, соответственно с этим определением, что, соединяя множества aebec и dee в одно упорядоченное множество мы получаем множество типа 0, 1, 2, 3, 4, 5; формулы a)-f-l=a/ и 1 -|-со = сю выражают очевидные факты, характеризующие поряд- • ковый тип множеств И Аналогичным путем можно определить и операцию умноже- умножения, как замену элементов одного множества A-го сомножителя) ьсей совокупностью элементов другого B-го сомножителя) с со- сохранением взаимного расположения. Такой операцией из множеств a, b и аХУ я2, ..., лл, ... получаем множество тип которого есть При обратном порядке сомножителей придем к располо- расположению a, b; a, b; а, Ъ\ ..., тип которого со- 2 выражается попрежнему порядковым числом а), так что сю-2 = со и, таким образом, <о • 2^2• <о.% Можно показать [см., например, Бэр (Baire), Теория разрывных функций], что введение трансфинитных чисел 2-го класса является необходимым и достаточным для числового обозначения ранга элементов в любом счетном вполне упорядоченном множестве или, что то же, для обозначения порядкового типа всякого такого множества. Совокупность всех трансфинитных чисел 2-го класса есть множество несчетное (см. там же), следующей за Ко высшей мощности. Одна из труднейших нерешенкых проблем теории множеств, известная под названием Kontinuumproblem, состоит в анализе высказанного Кантором предположения, что мощность системы всех действительных чисел (или, что то же, мощность 2^°) совпадает с мощностью системы всех трансфинитных чисел 2-го класса. 77
ГЛАВА 11L ИЗМЕРЕНИЕ СКАЛЯРНЫХ ВЕЛИЧИН И ОПЕРАТОРНАЯ ТЕОРИЯ РАЦИОНАЛЬНЫХ ЧИСЕЛ. * В настоящей главе мы займемся обобщением понятия числа, а именно, теорией отрицательных и дробных чисел. Так же как и в предыдущей главе, мы ставим себе цель выяснить, какие задачи, связанные с изучением конкретных величин, приводят к этим обобщениям и как осуществляется переход к соответ- соответствующим аксиоматическим теориям, лежащим в основе даль- дальнейших формальных построений арифметики. Считая при этом достаточно хорошо знакомой читателю основную роль дробных чисел для обозначения долей величин, допускающих деление на равные части, мы почти не будем останавливаться на свя- связанных с этим элементарных вопросах, уделив главное внимание так называемой операторцой теории и формальной теории пар. § 25. Соотношения скалярного расположения. Скалярные величины. 1. Обычно мы приписываем понятиям „меньше", „больше" и „равно" некоторый количественный смысл. Это означает сле- следующее. Когда мы говорим, что в каком-то отношении А меньше В, то мы представляем себе, что В заключает в себе что-то в количестве, равном запасу этого „что-то" в Л, плюс еще некоторое количество того же самого „чего-то". Такое представление нельзя, однако, считать соответствую- соответствующим сути дела. Понятия „больше", „меньше" и „равно" сле- следует рассматривать как соотношения расположения или по- порядковые соотношения, в общем случае не являющиеся харак- ^ с г теристикойзапаса„че- i j + го-то", из чего „состо- „состоят" располагаемые ЧеРт- 5. объекты в указанном выше смысле слова. Так, например, когда мы говорим о расположении точек на прямой (черт. 5), то соотношения расположения „правее" н „левее" обладают, как это ясно всякому, знакомому с теорией относительных чисел, теми же формальными свойствами, что и понятия „больше" и „меньше". Бессмысленно, однако, было бы 78
говорить, что у точки С запас „правизны" больше, чем у точек А и В. Произведя знакомый уже нам процесс абстракции от специ- специфических качественных особенностей соотношений расположе- расположения в различных возможных конкретных интерпретациях этих соотношений, мы можем выделить те основные свойства их, которые общи всем таким интерпретациям. Эти свойства и будут общим выражением тех интересующих нас в каждом отельном случае взаимоотношений между объектами, которые мы изучаем с помощью понятий „больше", „меньше" и „равно", т. е. будут служить абстрактным определением этих понятий. Формулируем эти свойства, изменяя из понятных методи- методических соображений привычные читателю обозначения. Пусть дана некоторая система 5 объектов Л, В, С, ... и пусть установлены взаимоотношения между парами таких объ- объектов, обозначаемые знаками е и 6, обладающие следующими свойствами: 1) Между всякими двумя объектами А и В ичеет место одно и только одно из соотношений АеВ, ВеА или АЬВ. 2) Если АеВ и ВеС, то АеС. 3) Если АЬВ и ВЬС, то АЬС. 4) Для всякого А имеет место соотношение АЬА. В этом случае мы будем говорить, что в системе 5 уста новлено скалярное расположение элементов, систему 5 будем называть скалярной величиной, соотношение 6 будем называть равенством, а соотношение е—основным соотношением располо- расположения, употребляя ^ля обозначения этого соотношения также и иные термины („меньше", „больше", „раньше", „позже", „ле- „левее", „правее" и т. д.), в зависимости от интерпретации. Аксиомы 2 и 3 выражают так называемые свойства „тран- „транзитивности" соотношений е и б, а аксиома 4) — свойство „ре- „рефлективности" соотношения 6. 2. Из установленных определений вытекает целый ряд след- следствий, верных во всякой интерпретации. Теорема 1. Соотношение 6 обратимо, т. е., если ВЬА, то и АЬВ. Доказательство. По аксиоме 1 верно одно и только одно из трех соотношений ВеА, АеВ, ВЫ. Так как имеет место ВЬАУ то ни ВеА, ни АеВ не имеют места. С другой стороны, по той же аксиоме верно одно и только одно из соотношений АеВу Be А и АЬВ. По только что сказанному, должно иметь место АЬВ. П
Аксиома 1 утверждает, в противоположность доказанному свойству соотношения б, необратимость соотношения е. Теорема 2. Если АеВ и^ВЬС, то АеС. Доказательство. Допустив, что Л6С, мы придем к про- противоречию, так как из АЬС и CQB следовало бы, что АЬВ. Точно так же допущение CsA и соотношение АеВ дают СеВ, что не- невозможно. Стало быть, по аксиоме 1, АеС. Теорема 3. Если АеВ и Л6С, то СеВ. г Доказательство аналогично. Вводя знак АэВ для случая, когда ВвА, можно формулировать те же свойства относительно соотношения „з", соответствую- соответствующего понятию „больше" в тех случаях, когда „е" есть „меньше", и наоборот. Если бы речь шла только об установлении понятия равен- равенства, то к аксиомам 3 и 4 следовало бы присоединить заклю- заключение теоремы 1, определив, таким образом, соотношение ра- равенства 6, как рефлективное (Л6Л), обратимое (если АЬВ, то ВЬА) и транзитивное (если АЪВ и ВЬС, то АЬС) соотношение, установленное в некоторой системе объектов. В тех случаях, когда объекты системы вполне индивиду- индивидуализированы, так что отношение АЪВ между различными объ- объектами невозможно, для установления скалярного расположения достаточны такие аксиомы: 1) Между всякими двумя объектами А и В имеет место одно из соотношений АеВ или ВеАш 2) Если АеВ и ВеС, то АеС. 3) Соотношение АеА не имеет места ни для какого Л. 3. Перейдем теперь к примерам соотношений, удовлетво- удовлетворяющих указанным аксиомам. Пусть мы имеем дело с системой всех прямоугольников Л, В, С, ... и принимаем следующие определения. 1) АеВ, если прямоугольник А может быть целиком помещен «нутрь В. 2) АЬВ, если Л и В конгруентны. Легко видеть, что соотношение б удовлетворяет всем свой- свойствам „равенства", а соотношение е — транзитивно и необра- необратимо, так что аксиомы 2, 3 и 4 удовлетворены. Однако, аксиома 1 не удовлетворяется, так как возможно построить два неконгруентных прямоугольника, из которых ни один не может быть помещен внутри другого. Поэтому данными опре- определениями не устанавливается скалярное расположение системы прямоугольников и соотношение е не обладает всеми свойствами понятия „меньше". Изменив определение 2 так: 2) Л6В, если А и В конгруентны, а также если ни один из двух прямоугольников Л и Б не может быть помещен внутри другого, мы добьемся того, что будут удовлетворены аксиомы 1, 2 и 4. Однако аксиома 3 не удовлетворена. Действительно, прямоугольник размерами 2X6 не может быть помещен внутри
прямоугольника 4X5 (и наоборот); прямоугольник 4X5 не мо- может быть помещен внутри прямоугольника 3X7 (и наоборот); однако прямоугольник 2X6 умещается в прямоугольнике 3X7. Стало быть, и тут не установлено скалярное расположение. В противоположность этому, в теории измерения площадей до- доказывается, что мы можем удовлетворить всем аксиомам, уста- установив -определение: АеВ, если прямоугольник может быть раз- разрезан на части, совокупность которых целиком умещается внутри прямоугольника В, и Л6В, если из таких частей может быть целиком составлен прямоугольник В. Устанавливаемое этими определениями скалярное расположение прямоугольников со- совпадает с расположением их по величине площади. Рассмотрим еще один пример. Пусть речь идет о располо- расположении шахматных игроков Ау Ву С, ... по силе игры. Примем, что А играет сильнее В (АеВ) или так же, как В (ЛОВ), в зави- зависимости от результата одной (или нескольких) партий. Мы можем принять, что аксиомы 1 и 4 выполнены. Однако тран- транзитивность не имеет места ни для соотношения е, ни для соот- соотношения 6. Поэтому указанный метод расположения может иметь смысл некоторого приближения лишь поскольку мы пред- представляем себе дело так, что при большом числе сыгранных партий соотношение е транзитивно, а соотношение 6 вообще маловероятно и в случаях осуществления также транзитивно. В первых двух из приведенных выше примеров были вы- выполнены все аксиомы, кроме одной — 1 или 3. Этим доказы- доказывается независимость этих аксиом от остальных. Мы предоста- предоставляем читателю придумать аналогичные примеры невыполнения других аксиом, отсылая по вопросу о взаимной независимости аксиом скалярного расположения к книге „Введение в анализ" Шатуновского, впервые поставившего и решившего этот вопрос в общем случае. Скалярное расположение элементов может быть иллюстри- иллюстрировано расположением точек на бесконечной прямой. Соотно- Соотношение е в этом случае может означать „лежать слева ота или „лежать справа от". 4. Аналогично можно установить аксиомы, характеризующие круговое расположение элементов, например, взаимное распо- расположение точек на замкнутой кривой. Очевидно, что, определив соотношение AsB так: „двигаясь от А в положительном напра- направлении, мы можем притти к В", мы придем к тому, что всегда одновременно и ЛеВ и ВгА. Для характеристики расположения точек здесь необходимо либо выделить одну определенную точку, переходить которую нельзя (разрезать кривую), либо, в симметричной форме, установить соотношение между тремя точками. Мы предоставляем читателю проанализировать, соответ- соответствуют ли круговому расположению точек на замкнутой пря- прямой аксиомы: 1) Между всякими тремя различными точками а, р, -у имеет место либо соотношение 2 (а, р, -у), либо соотношение Qfr, P, <*)• 6 Теоретическая арифметика—1747 81
2) Если имеет место соотношение ?(а, р, к), то имеет место соотношение Q(P, ъ а)- 3) Из соотношений ?(а, р, -у) и ?1ф, 7, ^) вытекают соотно- соотношения ?(а, р, Ь) и ?(а, 7, &)¦ Нетрудным упражнением может служить еще установление аксиом, которыми определяются соотношения типа „^и и „^". Равенство можно здесь определять как одновременное выпол- выполнение обоих соотношений. § 26. Числовая характеристика значений скалярной величины. Перейдем теперь к важному для дальнейшего изложения характерному примеру скалярной величины. Пусть мы желаем расположить по степени твердости эле- элементы некоторой совокупности тел, одинаковых по форме, но сделанных из различных материалов, скажем, алмаза, кварца, свинца и т. д. Отвлекаясь от деталей, мы можем представить себе сравне- сравнение тел А и В в отношении их твердости так. Испытываем, какое из двух тел оставляет царапину на поверхности другого. Если А царапает В> но В не царапает А, то говорим, что А тверже В. Если В царапает А, но А не царапает В, то говорим, что В тверже А. В остальных случаях считаем, что А и В — одинаковой твердости. Таким образом, по определению, для тел рассматриваемой совокупности выполнено положение 1: между любыми двумя элементами А и В совокупности имеет место одно и только одно из соотношений—ЯА тверже Д>", „В тверже А*, „Л и В — одинаковой твердости". В первом приближении можно считать также выполненными и следующие два положения: 2) если „А тверже В" и „В тверже С", то КА тверже С", и 3) если „А одинаковой твердости с В, а В — с С", то „А одинаковой твердости с С". Так как, кроме того, выполнена аксиома 4, то мы можем сказать, что на основе указанного определения можно устано- установить скалярное расположение тел в отношении их твердости и самые понятия „тверже" и „одинаковой твердости" обладают всеми свойствами понятий е и 6, т. е. формальными свойствами соотношений „меньше" и „равно". Вместе с тем, легко усмотреть, что здесь выражение типа „тело А содержит больший запас „твердости", нежели В" зву- звучит в достаточной мере странно, так как у нас нет оснований представлять себе дело так, что „твердость" кварца „состоит из" „твердости" свинца „плюс" „твердость" какого-либо дру- другого тела. Здесь перед нами пример скалярной величины в довольно чистой форме. Отличие этой величины от скалярных величин такого рода, как длина, площадь, вес, в особенности суще- существенно иметь в виду при переходе к характеристике значений такой величины с помощью чисел. 82
В нашем примере дело сведется к построению так называе- называемой шкалы твердости. Расположив рассматриваемые тела в таблицу так, чтобы тела одинаковой твердости попадали в один и тот же верти- вертикальный столбец, а тела большей твердости располагались пра- правее тел меньшей твердости . А В С D . . . Ах В, CXDX . . j (такое расположение возможно именно в силу того, что для обоих понятий „тверже" и „правее" выполнены аксиомы рас- расположения 1—4), мы можем затем охарактеризовать каждый столбец числом. При этом у нас имеется чрезвычайно большой произвол в выборе чисел для характеристики каждого столбца: всякие числовые отметки пригодны, лишь бы расположению тел по степени твердости соответствовало расположение чисел в порядке возрастания (или убывания). Так, например, можно было бы перенумеровать столбцы, на- начиная с первого, целыми числами 1, 2, 3, 4, ... При этом мы могли бы для тел, не подвергнутых исследованию при соста- составлении таблицы и оказавшихся впоследствии на промежуточных местах, употребить дробные числа опять же с большим произ- произволом. Можно было бы поступить и как-либо иначе, скажем, пер- первому столбцу отнести число 100, второму ПО, третьему 120 и т. д. Инвариантными относительно способа нумерации являются здесь только соотношения скалярного расположения между числами и только они% отражают действительные свойства исследуемой системы тел. Остальные числовые соотношения, в отличие от тех случаев, когда характеристика величины чи- числом получается как результат счета или измерения, отражают лишь случайные свойства способа нумерации столбцов. Так, например, если твердость тела В охарактеризована числом 2, твердость тела F — числом б, то бессмысленно гово- говорить, что вторая твердость „в три раза больше" первой или „на 4 больше11 первой. Равенствам 6:2 = 3 и 6 — 2 = 4 не соответствует никакое реальное соотношение между свой- свойствами тел В и F. В другой системе нумерации мы получили бы для В число ПО, для F—число 150 и ни о каком „втрое* и „на четыре" тут уже не было бы речи. Лишь то, что 2<6, со- сохраняется для всякой возрастающей шкалы A10<Ч50) и выра- выражает единственный действительный факт, о котором можно судить, зная две характеристики твердости: тело /Оцарапает В, но не наоборот. Желая подчеркнуть эти особенности в построении число- числовых шкал, мы будем говорить, что в этих случаях число ис- используется в порядковом смысле, что мы имеем дело с поряд- * 83
новой числовой характеристикой значений скалярной величины. При этом, как было отмечено выше, речь может итти о поряд- порядковом смысле не только целых, но и дробных (и даже ирра- иррациональных) чисел. ^ § 27. Числовая характеристика значений измеримых величин. Перейдем теперь от общего случая скалярной величины к наиболее часто встречающемуся случаю измеримых величин. В этом параграфе мы имеем в виду предварительно рассмот- рассмотреть несколько примеров для иллюстрации того, что числовые характеристики значений измеримых величин могут иметь/?аз- личное смысловое значение. При этом читатель должен иметь в виду, что смысловое значение числовых характеристик зависит, конечно, от того, для каких величин, с какой целью и каким путем эти харак- характеристики вводятся. С этой точки зрения вопрос будет нами рассмотрен ниже в § 33, в нижеследующих же примерах пре следуется цель предварительного ознакомления с постановкой вопроса. Поэтому мы будем исходить здесь из готовых число- числовых характеристик таких величин, как время, температура и т. д., в их обычной форме, не останавливаясь на обсуждении того, как эти характеристики введены. 1. Рассмотрим числовые шкалы для точек прямой, значений температуры или моментов времени. Как известно, эти шкалы строятся иначе, нежели шкала твердости, и предполагают в той или иной форме процесс измерения. Посмотрим, как это отра- отразится на смысловом значении различных соотношений между числовыми отметками этих шкал. Легко видеть, что во всех указанных случаях сложение чис- числовых отметок не имеет непосредственного объективного смысла. Это находит свое отражение и в явной несуразности вопросов вроде „сколько будет без четверти два да половина пятого?" Вследствие произвольности начала отсчета соотноше- соотношение А-[-В = С между числовыми отметками, имеющее место для одной шкалы, будет неверно в другой; оно, следовательно, неинвари?нтно и выражает свойства шкалы, а не изучаемой ве- величины. Так, например, измеряя температуру по Цельсию, мы полу- получим 3° + 0° = 3°. Ведя отсчет по шкале абсолютной температуры, мы получим вместо этого 276°-f-273° = 549°. То же относится и к сложению числовых отметок моментов времени, если перехо- переходить, скажем, от отсчетов по местному к отсчетам по не совпа- совпадающему с ним зональному времени. Для того чтобы подчерк- подчеркнуть, что, при всем том, порядковое расположение значений рассматриваемых величин инвариантно передается числовыми отметками при любом выборе начала, мы будем говорить, что в случаях, аналогичных рассмотренным, числовые отметки шкал имеют порядковый смысл. Мы можем, однако, выделить некоторые, зависящие от рас- 84
смотренных, числовые характеристики, по отношению к кото- которым операция сложения приобретает осмысленный характер. Это разности температур, разности числовых отметок, харак- характеризующих моменты времени, т. е. числа, отвечающие проме- промежуткам времени и т. д. Если температура была первоначально 3°, потом повысилась на 5°, то этот факт может быть записан формулой в которой, однако, смысловое значение числовых характеристик различно-. 3° и 8° соответствуют непосредственным отсчетам на шкале, число же 5° характеризует величину перехода от одного значения температуры к другому. Повышение температуры на 5° и последующее ее повышение на 4° дает результирующее повышение на В этой формуле числа характеризуют переходы от одного значения температуры к другому и соответствуют разностям числовых отметок соответствующей шкалы. Такого рода соотношения можно установить для переходов и в случае любой скалярной величины чистого типа, например для шкалы твердости. Однако в общем случае может случиться, что характеристика переходов разностью числовых отметок шкалы без указания начальной и конечной точек перехода будет носить исключительно формальный характер, не отражаю- отражающий никаких объективных (не зависящих от способа построения шкалы) свойств изучаемой величины. Суть дела заключается в том, что в общем случае скалярной величины не имеет смысла говорить о равенстве или неравен- неравенстве переходов с различными начальными точками, например для случая шкалы твердости о равенстве перехода от свинца к кварцу, переходу, скажем, от полевого шпата к рубину. В .связи с этим характеристика одним и тем же числом двух таких переходов может оказаться случайным свойством способа построения шкалы. В этом смысле следует иметь в виду, что и для такой вели- величины, как температура, равенство 10° — 5° = 95° —90° двух пе- переходов служит лишь выражением соответствующего соотно- соотношения для линейных отрезков шкалы термометра. Вопрос о том, в какой мере это равенство отражает свойства физической ве- величины, которую мы намерены изучать, говоря о температуре, есть, по существу, вопрос о целом комплексе физических явле- явлений. Об эюм не следует забывать, исходя — в математических построениях — из определения величины, называемой „темпера- „температурой" на основе определенного процесса измерения — в про- простейшем случае на основе рассмотрения положения столбика ртути в термометре. Так, например, равенство перехода от Iе к 2° С и перехода от 15° к 16°С означает, по определению, лишь то, что в обоих случаях удлинение столбика ртути в термо- термометре одинаково; для тесно связанной с понятием температуры .45
физической величины, именуемой „количеством теплоты", эти переходы, однако, неравноправны, с чем и приходится считаться при установлении известного из элементарного курса физики опре- определения калории. Вообще, до тех пор, пока мы имеем дело со скалярными величинами, для которых понятие о равенстве переходов не имеет не зависящего от способа построения шкалы объективного смысла, соотношения между переходами типа а-\- Ь = с имеют смысл лишь для переходов а=В—А и с общей связующей точкой В и выражают в этом случае лишь эквивалентность двух последовательных переходов от А к В и затем от В к С одному переходу or А к С. Иначе обстоит дело для таких величин, для которых равенство переходов с различными начальными точками может быть опре- определено независимо от того или иного способа построения шкалы на основе свойств изучаемой скалярной величины. Это имеет место, например, для таких величин, как длина, время, масса, количество теплоты и т. п. В этих случаях становится возможным изменять начальную точку перехода, заменяя переход равным ему в согласии с уста- установленным определением равенства. Это позволяет, заменяя слагаемые равными им с общей связующей точкой, складывать переходы с различными начальными точками « тем самым обо- обосновывает то представление о „составленноапи" одних пере- переходов из других, о котором мы говорили в начале § 25. Такого рода величины, в отличие от скалярных величин чистого типа, называются аддитивными величинами. Для этих величин чис- числовые характеристики строятся (см. ниже § 28) так, чтобы равным переходам соответствовали равные числа. При этом условии равенства типа а- Ь — с для чисел, измеряющих переходы, приобретают смысл, харак- характеризующий свойства самой величины, а не только случайные свойства шкалы. В этом смысле можно говорить о количествен- количественном (а не порядковом) значении чисел, характеризующих пере- переходы в области аддитивных величин. В частности, если равенством А = 0 в системе порядковых отметок задается начальная точка шкалы, выбор которой про- произволен, то равенство а = 0 для случая, когда а = В — А есть числовая характеристика перехода, выражает не зависящий от произвола в построении шкалы факт совпадения двух значений В и А. В этом смысле можно говорить о порядковом (в системе числовых отметок) и количественном (в системе переходов) значении числа нуль. Перейдем теперь к операциям второй ступени в области аддитивных величин. В отношении перемножения чисел, отне-
сенных переходам, мы можем повторить все то, что мы уже говорили о сложении порядковых числовых отметок, отнесенных значениям скалярной величины. Вне каких-либо добавочных связей и дополнительных соглашений перемножение двух раз- разностей показаний термометра или двух разностей показаний часов имеет формальный смысл и никаким реальным соотноше- соотношениям в области самой изучаемой величины не соответствует. Для примера достаточно напомнить известную методическую трудность конкретного истолкования правила знаков при умно- умножении при использовании значения одной направленной вели- величины. Соотношение (—2)-(—3)=-f-6 не поддается конкретному истолкованию ни для числовых отметок, ни для числовых харак- характеристик переходов в пределах одной и той же (например температурной или временной) шкалы. 2. Для получения числовых характеристик, для которых все операции первых двух ступеней будут допускать естественное конкретное истолкование, нам придется подняться еще на одну ступень выше, рассмотрев отношения чисел, соответствующих переходам, т. е. отношения разностей двух числовых отсчетов порядковой шкалы рассматриваемой величины. Тот факт, что отношение одного перехода t к другому s выражается числом а, может быть записан формулой В этой формуле смысловое значение числовых характеристик различно: t и s отвечают переходам, множитель же а есть харак- характеристика операции, которую нужно совершить над переходом s, чтобы притти к переходу t (например, при а = 2 удвоить, 2 при а = -—— разбить на три равных перехода, сложить два из 6 2 них и переменить направление полученного перехода -=- •s на о обратное). Последовательное применение двух таких операций, харак- характеризуемых числами аир, равносильно третьей операции того же типа. Характеризующее ее число -\ равно произведению чисел а и р, так что Так, например, равенство — 2 = 3( выражает тот факт, что применение операции утроения к ре- результату применения описанной выше операции а =—— рав- носильно удвоению исходного перехода с одновременным изме- изменением направления результата на противоположное. Этот факт не зависит от выбора начала отсчета и единицы меры, т. е. от допустимого произвола в построении шкалы. ве
В частности, отметим, что для чисел, отнесенных переходам, равенство г= 1 имеет условный смысл, соответствуя произв оль- ному, принятому за единицу переходу. Равенство же т = —=1, где г, и /*я — числа, отнесенные двум переходам, выражает не зависящий от выбора единицы меры факт равенства этих пере- переходов (равенство двух отрезков, двух промежутков времени и т. п.). Мы видим, таким образом, что истолкование чисел, соответ- соответствующих отношениям переходов, как знаков действий (опера- (операторов) позволяет дать конкретное истолкование основным опе- операциям над числами, при котором числовые соотношения не зависят уже ни от выбора начальной точки шкалы, ни от выбора единицы меры (инвариантны) "и выражают, в соответствии с этим, объективные зависимости в области изучаемой величины, а не случайные свойства той или иной числовой шкалы. Задача измерения и заключается в построении системы, чис- числовых характеристик отношений переходов. При этом, как мы увидим ниже, числовые характеристики строятся в порядке, про- противоположном рассмотренному, т. е. числовые отметки (шкала) получаются в последнюю очередь. Такое построение, отражающее свойства изучаемой вели- величины, в общем случае чисто скалярных величин (ср. рассмотрен- рассмотренный выше случай шкалы твердости) неосуществимо. Ниже, пере- переходя к систематическому изложению теории измерения, мы и установим условия, которым должна удовлетворять скалярная величина, для того, чтобы она была измерима в указанном смысле слова. 3. В заключение настоящего параграфа мы позволим себе сделать следующие замечания общего характера. Приступая к систематическому изложению теории измерения скалярных величин, мы будем считать, что первоначально у нас имеется в распоряжении лишь система целых положительных чисел. На пути решения задачи об измерении мы естественным образом придем к необходимости вводить новые категории чисел, а именно отрицательные, дробные и иррациональные числа. При этом мы станем на точку зрения Гамильтона, рассматривая все категории чисел, появляющиеся в результате измерения одних переходов другими, как операторы, т. е. знаки операций, соответствующих определенным правилам получения одних пере- переходов из других. Мы увидим, что с этой точки зрения, наиболее близко соот- соответствующей как историческому ходу развития понятия числа, так и логическому развитию идеи измерения, т. е. характери- характеристики значения величины числом, введение новых чисел и уста- установление основных правил операций имеет совершенно отчет- отчетливый смысл и допускает на всех стадиях построения совершенно конкретную интерпретацию. Этим операторная теория выгодно отличается от формальных теорий (теории пар и т. д.)> восхо- восходящих по существу также к Гамильтону, но в современной 88
трактовке преследующих несколько иные цели. С точки зрения- порядка изложения существенно при этом подчеркнуть, что со- содержание этих формальных теорий, которые мы изложим в главе IV, становится значительно более ясным в свете общих построе- построений, связанных с изучением скалярной величины вообще. Это и естественно: характерный для узко формальной точки зрения отрыв этих теорий от их логического и исторического источ- источника не только не способствует выяснению сути дела, а зачастую непосредственно ведет к искажению методологической перспек- перспективы, при котором фактическое содержание процесса развития математических идей подменяется гипотетическим логическим построением. Сюда относятся, например, весьма распространен- распространенная трактовка развития понятия числа, при которой введение новых чисел производится в силу необходимости решать уравне- уравнения, не допускающие решения в прежней числовой системе. Так, отрицательные числа появляются при решении уравнений типа х-\-а = О, где а^>0> дробные — при решении уравнений типа ах ±b = Q, иррациональные и комплексные при решении урав- уравнений х* = а и х* — — а и иных, не имеющих рациональных корней и т. п. При этом законы операций устанавливаются путем распространения на новые символы тех законов действий, которые имели место в прежней числовой системе, когда ана- аналогичные символы имели числовой смысл (принцип перманент- перманентности Г а н к е л я). ~ ^ „ а , b a\-b Так, например, правило сложения дробей 1~ — = — -— ее с соответствует формуле, верной в области целых чисел при условии, что а и b делятся на су правило сложения отрица- отрицательных разностей {а — b)-\-(c— d) = (a-\-c)— (b-\-d) соответ- соответствует формуле, верной в области положительных чисел при условии а^>Ь и c^>d. По существу речь идет, стало быть, о том, чтобы определять оперсцич над вводимыми еновь числовыми символами так, чтобы сохранялись основные формальные законы действий. Не подлежит, конечно, сомнению, что такая концепция логи- логически возможна. Что же касается действительного пути истори- исторического развития и методологической стороны дела, то эта кон- конце \щя отражает лишь некоторые, хотя и важные, но весьма частные стороны гораздо более широкого процесса изучения скалярных величин. Логическое построение, проводимое здесь, значительно точнее отражает сущность этого процесса, в силу чего становятся, в частности, более ясными структура и смысл формальных теорий. § 28. Аддитивные величины. Задача измерения. 1. Возвращаясь к общему случаю скалярной величины (§ 25), мы отвлечемоя-'^ейчас - от. .характеристики значений величины и переходов с помощью чисел и будем рассматривать каждый переход от одного значения величины Л к другому — В как неко- 89
торый новый объект изучения, вполне определяемый заданием •значений А и В в заданном порядке. Переход от А к В мы буйем обозначать знаком (В, А) и рассматривать его иногда как знак операции, применение которой к значению А дает в результате значение В. Это мы будем записывать так (В, А) к А = В. Не налагая никаких добавочных требований, мы можем опре- определить: 1) соотношение скалярного расположения между переходами € общей начальной точкой А, полагая (В, А)е(С, А) в том случае, если и 2) операцию композиции двух переходов (С, В) и (В, А) с общей связующей точкой В как образование нового перехода ют А к С, записывая это так (С, В) к (В, А) = (С, А). Эти определения имеют смысл в самом общем случае, напри- например для шкалы твердости. В общем классе скалярных величин мы выделим теперь класс величин, для которых система переходов образует, как мы будем говорить, аддитивную скалярную величину с помощью следую- следующего требования. На основе свойств изучаемой величины должно быть воз- возможным установить (имеющее объективный смысл, т. е. не зави- зависящее от способа построения числовой шкалы) определение равенства переходов с различными начальными точками, удов- удовлетворяющее условиям: 1) Равенство возможно только между переходами одного направления, т. е. если (А, В) = (А',В') и АвВ,тоиА'еВ\ 2) Если (А,В) = (А'9 В'\ то и (В, Л) = (В', А1). 3) При замене переходов равны.,, t им соотношение компо- композиции не нарушается, так что из (Л, В) = 04', В') и (В, С) = (В\ С) следует (А, В) к (В, С) = (А', В') к (?', С), -ИЛИ {A, Q = (A'f С). Наконец, мы предположим еще, что переходы, по крайней мере, одного направления допускают *i ^Фом^шн'р^итетиги перенесение с сохранением равенства, т. е. ДО
4) для всякого перехода (В, А), где АеВ, существует при % 1 V равный ему переход (В', Л1). ч этих условий вытекает возможность однозначно уста- не ть скалярное расположение всех переходов друг относи- относительно друга, заменяя сравниваемые переходы равными им с общей начальной точкой и применяя к последним критерий 1 страницы 90. Такая замена, в силу условия 4, всегда возможна, причем сравнение переходов приводит к одним и тем же результатам независимо от выбора начальной точки. Действительно, если (В, Л) е (С, А) и (В, А') = (В, А), (С, А') = (С, А), ТО (С, В) = {С, А) к (Д В) = (С, А') к (А1, В)=(С, В) и, следовательно, при Be С будет и Be С, т. е. (В, А)ш(С. А'). Для переходов противоположного направления (В, А) и (С, D) при fie Л и CeD можно просто положить (В, А)е(С, D) при (D, С).(Д В). Далее, на основе перенесения переходов с сохранением равенства мы можем теперь распространить определение ком- композиции на случай переходов без общей связующей точки, назы- называя (С, А) композицией любых переходов (Ж, N) и (К, L), соот- соответственно равных переходам (С, В) и (В, А) с общей точкой В. Таким образом, если (Ж, jV) = (C, В) и (К, L) = (B, Л), то, по определению, (Ж, N) к (К L)={C9 В) к (б, А) = (СШ А). В силу условия 3 (стр. 90) результат композиции одно- однозначно (в смысле равенства) определяется заданием переходов (Ж, N) и (/С, L), т. е. не зависит от выбора равных заданным переходов с общей связующей точкой. Действительно, если (С, #) = (М, Л0 = (С, В) и (В1, А') = (К, L) = (B, Л), то, согласно условию 3, (С, А')=(С, Л). Операция композиции, как легко видеть, ассоциативна^ так как (D, С) к (С, В) к (В, Л) = (Д В) к (В, Л) = (А С) к (С, Л). Из условия 4 следует, далее, что переходы, по крайней мере, в одном направлении (которое мы будем называть поло- положительным) допускают неограниченную композицию (в теории измерения это требование можно было бы заменить условием неограниченной дробимости, однако для имеющихся в чиду приложений предпочтительнее исходить из условия 4). Резюмируя полученные результаты, мы можем сказать, что в рассматриваемом случае переходы образуют аддитивную 91
величину, т. е. такую скалярную систему, в которой опреде- определена однозначная и ассоциативная операция композицш ограниченно выполнимая в одном, ho крайней мере, направу i# Отметим здесь, что то обстоятельство, что переходы вы ол- нимы, быть может, не от всякой начальной точки, для даль- дальнейших построений существенной роли не играет. 2. Задача измерения для аддитивных величин может быть теперь поставлена так. Требуется установить такую характеристику значений вели- величины (в рассматриваемом случае — переходов) с помощью чисел, при которой 1) каждому значению величины (переходу) соответствовало бы числОу 2) равным значениям величины (переходам) соответствовали бы равные числа, а неравным — неравные так, чтобы соотно- соотношению скалярного расположения е в области значений вели- величины (переходов) соответствовало бы соотношение „меньше11 в области характеризующих значения величины (переходы) чисел, и 3) композиции равных между собой значений величины (пере- (переходов) соответствовала бы сумма отнесенных им чисел. Примечание. Мы говорим о композиции равных между собой переходов для того, чтобы не вводить ненужного здесь допущения о независимости композиции переходов от их порядка. Это свойство будет вытекать как след- следствие из тех общих положений, на которых основан дальнейший ход рассуж- рассуждения. Мы переходим сейчас, в порядке решения поставленной задачи, к рассмотрению последовательных расширений исходной числовой системы натуральных чисел, необходимых для того, чтобы удовлетворить требованию 1. Мы будем обозначать в дальнейшем значения аддитивной величины (переходы) малыми латинскими буквами начала алфавита а, Ь, с, ..., натуральные числа — латинскими буквами средины алфавита г, s, m, /z, ..., а числа как операторы, в том числе и вновь вводимые числовые символы, рассматриваемые как операторы, — греческими буквами а, р, у, ... Соотношение е для значений аддитивной величины (переходов), соответствующее положительному направлению, мы м обозначать для простоты знаком „<С"- Имея в виду дальнейшие приложения, мы будем ниже при- придерживаться терминологии, соответствующей теории измерения скалярных величин, т. е. говорить об измерении переходов, обра- образующих рассматриваемую аддитивную величину; в той части построения, которая не требует введения отрицательных чисел, читатель может слово „переход" заменить словами „значение аддитивной величины". § 29. Операторная теория рациональных чисел. 1. Рассмотрим какой-либо переход положительного направ- направления а = (В, А), (А*В). 92
Результат Ь композиции п таких переходов Ь = а к а к а к ... к а мы будем обозначать знаком = па. Целое число п мы рассматриваем здесь как оператор, при- применение которого к переходу а дает в результате переход Ъ. Действие, обозначенное знаком /г, состоит в композиции п пере- переходов, равных а. Числу 1 соответствует операция, не меняющая перехода, так что 1 = а. Установим теперь следующие определения общего характера. Два оператора а и р мы назовем равными в том случае, когда применение их к равным переходам дает равные резуль- результаты. Далее, мы будем писать если переходы аа и ра находятся в отношении аа < ря, коль скоро переход а — положительного направления. Суммой a-f-f) операторов аир мы назовем оператор, резуль- результат применения которого к какому-либо переходу а равен ком- композиции переходов аа и рй, так что, по определению, (а 4- P) а = а# к ра. Произведением 0а операторов а и р мы назовем оператор, применение которого к какому-либо переходу а равносильно последовательному производству (композиции) операций аир, т. е. применению оператора р к переходу аа. Таким образом, если i то, по определению, = р (аа). Вследствие аналогии с соответствующим положением для переходов, согласно которому композиции переходов мы относим сумму характеризующих переходы чисел, мы будем иногда опе- операторы а, р, 7» • - - называть переходами второй ступени, а обычные переходы называть операторами первой ступени. Для рассмотренных выше операторов — целых чисел — приве- приведенные выше определения дают, очевидно, результаты, совпа- совпадающие с обычными. Сохраняя эти определения для всех категорий операторов, которые мы будем вводить ниже, мы положим их в основу определений равенства и неравенства и основных двух действий: сложения и умножения для новых категорий чисел, в полном 93
соответствии с нашим стремлением удовлетворить требованиям 1—3 страницы 92 (§ 28). Пусть теперь некоторый переход b связан с переходом а соотношением A) где т и п — целые числа. Мы будем обозначать операцию а, применение которой к пере ходу а дает в результате переход 6, знаком т п и писать = ~ а. п Равенство A) служит, таким образом, определением операции т х п Операторы типа - мы будем называть дробями, вводя этим самым новую категорию чисел — дробные числа. Если переход а допускает разбиение на п равных переходов, из которых а получается путем композиции, то можно сказать, - т что дробь - -, согласно с определением, есть знак операции,, состоящей из разбиения перехода а на п равных между собой компонент композиции, с последующей композицией т полу- полученных, таким образом, переходов, равных — а. Пусть, наряду с имеем Согласно с общим определением равенства операторов, это означает, что m mx п пг " С другой стороны, из приведенных равенств следует nnxb = тпуа = откуда = nmv Этим условием определяется, таким образом, равенство дро- Л „ т тх беи — и —, рассматриваемых как операторы.
Аналогичным путем выводим, что п^ пху если тпх <^птх. Аксиомы скалярного расположения (§ 25), очевидно, выпол нены. Пусть b = ma и пхс — тха. Согласно с общим определением сложения для операторов, / т , тх \ , \п ' пх) С другой стороны ппх (Ькс) = (тпх 4-птх)а, откуда , тп* -t- птПш Ъ к с= —— * а, так что ix mnx 4~ nmx п пх ппх Этим равенством определяется, таким образом, операция сложения дробей- Нетрудно проверить непосредственно, что эта операция обладает свойством ассоциативности а 4~(Р 4" Y) = = (a-J-pL-y и коммутативности a 4"Р = Р —|— а- Обратная операция — вычитания — выполнима в случае, еслч тх т ^ т -е —, т. е. если mnxj>nmx. Тогда т тх тпх — mxti п пх ппх /я, есть дробь, которая, будучи сложена с —-, дает в резуль- т ni тате —. п Рассмотрим теперь соответствующее определению умноже „ г т ния последовательное производство двух операции — и —. Полагая и sc = rby найдем, с одной стороны, по определению умножения опера- операторов rim \ I r т\ s \п I \5 п)
и, с другой стороны, snc = гта. г. е. гт с = — а. sn Равенством г т гт s п sn определяется, таким образом, операция умножения дробей. Ассоциативный и коммутативный законы и дистрибутивный закон умножения по отношению к сложению, очевидно, выполнены. 2. Перейдем теперь к введению отрицательных чисел. Пусть (С, D) = a(A, В\ где а—рациональное (пока, конечно, положительное) число. Мы введем знак для обозначения операции, приводящей от перехода (Л, В) к пе- переходу (D, С), так что (D, С) = (- а) (Л, В). Отрицательное число —а мы определяем, таким образом, как оператор, состоящий в применении операции а с последую- последующей переменой направления перехода на противоположное. Так как при а (Л, В) = (С, D) мы имеем а (В, A) = (D, С), то, вводя для операции перемены направления перехода на проти- противоположное знак (—1), так что (^1) (Л, В) = (ВУ Л), мы могли бы написать, в согласии с общим определением умножения опе- операторов, -а = (— 1)а = а(— 1). Введем еще число 0 как оператор, дающий в результате при- применения к любому переходу (С, D) нулевой переход. О-(С, ?>) = Нулевой переход к композиции с любым другим переходом не меняет этого перехода (Л, Л) к (Л, В)=(А, В). Неотрицательное число а мы назовем абсолютной величи- величиной как числа а, так и числа —а и обозначим знаком |а|, так что | | = a и если a — положительное число или нуль. Согласно с общим определением скалярного расположения переходов и операторов, найдем, что 46
1) равенство а=-2 в новой, расширенной отрицательными числами и нулем числовой системе относительных чисел возможно лишь, если знаки (при а- О) и абсолютные величины чисел а и р совпадают; 2) если Л еВ, то (Л, А)<(В, А) и (-4, Д)<(Л, Л), так что 00 и — а<0, если а положительное число; 3) если «о, то, по определению, при Ае-В будет яE, быть, — .8 {В, Л)<—а(?, Л), т. е. , В) и, стало Этими соотношениями устанавливается скалярное располо- расположение системы всех относительных чисел, удовлетворяющее требованиям § 25. 3. Перейдем к определению основных операций. Пусть а^>0 и Р2>0 и {Ct D) = — *{A. В), (?",/=)= ?И,Я). Тогда (С, D) к (f, = (а Это дает обычное правило сложения относительных чисел одинакового знака. Пусть попрежнему а^>0 и ?^>0 и пусть (С, D) = а {А, В), (Е, F) = ? (Л, S). Тогда (С, D) к (Е, F) = ( aJ 3)(Л, = *(В, Л) к [5(Л, Если о]>р, то, как было показано выше при рассмотрении операции вычитания дробей, I I ГУ I где 7^>0. Поэтому а{В, А) = 7E, Л) к 3(fi, Л), и так как то Итак, Л) к ?(Л, ?0 = а (В, Л) к ?(Л, Д) = 7(Д i4) = - а =-Т(Л, В), 7 Теоретическая арифмешиа—1717
т. е. * Лналогично, в случае Р>а получим Перестановка слагаемых на результат не влияет, и мы полу- получаем, таким образом, .обычные правила сложения относитель- ых чисел. Замечая, что из равенства (С, D) к (Д Е) = (С, Е) ледует (С, D) = (C, Е) к (Е, D), айдем, что операция вычитания о-р области относительных чисел может быть заменена сложе- сложением Р). Далее, так как перемена направления перехода на противо- противоположное может быть совершена как до, так и после примене- применения какой-либо рациональной операции а = —, то Р(--а)(Д В) = -(ра)(Д В), а(-р)(Д В) = - (ар)(Д В), и, наконец, так как двукратная перемена направления приводит ь исходному переходу, ( в)(- ША.В) = аИА, В). Мы приходим к известному правичу знаков при умножении относительных чисел. Выполнение основных законов действий контролируется, как обычно. 4. Проведенный здесь метод введения дробных и отрицатель ных чисел как операторов, как легко видеть, наиболее точно соответствует генетическому происхождению этих категорий чисел и фактической их роли в приложениях. Та ступень абстрак- абстракции, на которой эта операторная теория строится, сохраняет, наряду с достаточной общностью й строгостью формальных определений, возможность совершенно отчетливой содержатель- содержательной интерпретации действий над числами. Одновременно с этим весь процесс последовательных обобщений понятия числа рассматривается как одно единое целое и все построения ве дутся в рамках одной и той же схемы, тесно связанной с общей задачей измерения скалярных величин. Отметим, в частности, отчетливость интерпретации правила знаков при умножении в операторной теории относительных чисел. Неудача попыток истолкования этого правила на обыч- 98
ных схемах долг, имущество, на направленных отрезках и т.д. зависит от того, что в этих схемах относительные числа интер- интерпретируются не как операторы, применяемые к переходам, а как самые переходы, что, как мы уже отмечали в § 26, методо- методологически неправильно. В истолковании на схеме s = v»t мно- множимое v истолковывается как путь, проходимый в единицу времени. В связи с этим значения t играют роль операторов по отношению к v и интерпретация проходит сравнительно гладко. Аналогичное замечание верно и в отношении действия умно- умножения дробей. Если не подчеркивать операторного смысла дроб- дробных множителей (найти часть и т. д.), то объединение в одном понятии умножения различных по существу и характеру резуль- результатов действий резко противоречит представлениям, соответ- соответствующим операциям с целыми числами. Общее понятие умно- умножения представляло, в связи с этим, затруднения еще в XVI веке. Операции же первой ступени допускают истолкование в об- области самих переходов. § 30. Аксиома Архимеда. Перейдем теперь к следующей стадии обобщения — к поня- понятию действительного числа. Мы будем для простоты рассматривать лишь переходы по- положительного направления. Известный из элементарной геометрии факт существования несоизмеримых отрезков заставляет нас считаться с тем, что в общем случае не всякий переход может быть охарактеризо- охарактеризован рациональным числом. Несоизмеримость перехода Ь и перехода а в рассматривае- рассматриваемой, здесь теории измерения выразится в том, что ни для одной лары целых чисел т и п не будет иметь место равенство Таким образом в случае несоизмеримости переходов Ъ и а для каждой произвольным образом выбранной пары целых чи- чисел тип должно иметь место одно из двух соотношений 1) nb^> та, либо 2) пЪ< В первом случае: т во втором: Ь<С — а. ^ п Рассмотрим сначала возможные предельные случаи. * 99
I. Переход Ь таков, что для всякого рационального числа т п т п а, г. е. b меньше всякого перехода, соизмеримого с а. Другими словами, с помощью сколь угодно точного измерения долями а переход b невозможно будет отличить от нулевого перехода (А, А). Если при этом b (А, Л) = 0, то мы будем говорить, что переход b несравним с переходом а. II. Переход b таков, что для всякого рационального числа- т т — п а, у т. е. b больше всякого перехода, соизмеримого с а. В этом случае переход а нельзя будет отличить от нулевого при сколь угодно точном измерении долями Ь. Переход b мы назовем и в этом случае несравнимым с а. Можно, таким образом, сказать, что случай I соответствует существованию „несравнимо малых", а случай II -существова- -существованию „несравнимо больших" по отношению к а переходов. Легко построить пример скалярной величины, для которой такие несравнимые между собой переходы действительно суще- существуют. Рассмотрим хотя бы такое скалярное расположение точек М(х9у) с неотрицательными декартовыми координатами х, v, при котором, по опре- определению, M(x,y)zM'{x',y'), если и, в случае равенства X — X , М(х,у)еМ'(х,у'), если 1,, Черт. 6. Переходы (Л1, и (Л/4, М.л) будем, по определению, считать равными в том и толь- только в том случае, если для соответствующих координат Лл — J\>\ — A>i ~~~ J\«з И Vj " v \ ^~^ у! V•*• Условия § 27, очевидно, выполнены. С другой стороны, нетрудно видеть, что переход Ь = {М@,у\ М0@, 0)) 100
„несравнимо мал" по отношению к переходу а = {М"{х,О), Л*0@,0)) х О, так как, в силу определения отношения г, мы будем имет т п а при любом выборе чисел т и п. Соответственно с этим переход а „несравнимо большой" по отношению к переходу Ь. Несколько менее искусственный пример можно получить, располагая в порядке роста при х —>оо функции хау In л:, ех и составленные из них путем перемножения и образования слож- сложных функций (итерации) функции д:а1пд:, Inlnx, хAпл;)а, хек> е8* и т. п. Соотношение е для этих функций определяется, согласно с известным определением порядка роста, так: если v-» со Переход (•}, <?) мы будем считать равным переходу (ф„ если М=4 9 (л:) ?, (л:) ' Если выбрать за основную функцию (начало отсчета) функ- функцию срв(дс) = 1, то применение перехода (<р, 1) к функции <J>(v) сведется к умножению »{/(х) на ?(х). Выбирая переход а = (х9 1) за основной, мы найдем, что со- соизмеримые с ним переходы соответствуют умножению на 1 2 V ' Y*^ ¦ Y* — V ^ ^V ) • • > j •v , ¦ ¦ ¦ ^ •V , pr v вообще на m т где рациональное число. Переход Aпл:, 1) „несравнилю мал" по отношению к пере- переходу (л\ 1), так как (In л;, 1)е(х', 1) при всяком рациональном /*^>0, ибо In X е хг, 101
согласно известной формуле Iim —~ = 0. JC-+-GO -Л Переход (е*, 1) .несравнимо велик" по отношению к пере- переходу (х, 1), так как ибо XreexJ согласно известной формуле Iim — = 0. В случаях, подобных только что рассмотренному, система операторов, воспроизводящих всю совокупность возможных пе- переходов, должна была бы быть построена на существенно иных принципах (напоминающих постановку вопроса в § 24), нежели обычное измерение, приводящее к системе действительных чисел. Мы исключим, поэтому, все скалярные величины такого типа, введя аксиому конечной сравнимости переходов, известную под названием аксиомы Архимеда: Каков бы ни был переход а и другой данный переход Ъ (оба положительного направления), всегда можно указать таксе на- натуральное число п, что п раз повторенный (в смысле компо- композиции с самим собой) переход а превзойдет переход bw так кто Этой аксиомой исключаются оба случая I и II, соответствую- соответствующие несравнимым между собой переходам. Как мы сейчас покажем, именно в силу этой аксиомы оказы- оказывается, кроме того, вообще возможным различение неравных между собой переходов при помощи приближенного измерения их одним й тем же третьим переходом. Системы переходов, для которых аксиома Архимеда не вы- выполняется, объединяются под общим названием не-архимедовых величин. § 31. Соизмеримые и несоизмеримые переходы. 1. Итак, предположим, что аксиома Архимеда выполнена. Т^гда для любых двух переходов а и Сбудут существовать как т такие рациональные числа г= —, для которых Г 1> j ч ДЛЯ КОТОРЫХ п т так и такие г =—., для которых <а. B) 102
Назовем числа г, удовлетворяющие соотношению A), числами первого (нижнего, левого) класса R, а числа г', удовлетворяющие соотношению B), числами второго (верхнего, правого) класса R\ Таким образом rczR, если ra<^b и r'czRf, если г'а^>Ьш Из неравенств г'а следует, что все числа первого класса меньше всех чисел вто- второго класса r<V. В случае, когда а и Ь соизмеримы, существует еще одно число третьего, промежуточного, класса п.* для которого nob = тоа и Ь = гоа. Это есть единственное рациональное число, удовлетворяю- удовлетворяющее всем неравенствам при любых rczzR и г'<=/?'. Таким образом, если переходы Ь и а— соизмеримы, то пере- переход Ь вполне определяется классами чисел R и R' с помощью разделяющего эти классы рационального числа г0 по формуле о = гоа. Мы покажем сейчас, что при условии выполнения аксиомы Архимеда задание двух классов чисел R и R' однозначно опре- определяет переход Ь по заданному переходу а как в том случае, когда а и Ь соизмеримы, так и в том случае, когда а и Ь не- несоизмеримы. Это обстоятельство играет фундаментальную роль в теории измерения и в построении теории действительных чисел, позво- позволяя определить оператор а, соответствующий преобразованию перехода а в несоизмеримый с ним переход Ь = аа с помощью задания двух классов чисел R и /?', определенных соотноше- соотношениями A) и B). Докажем высказанное утверждение. Пусть п — произвольное целое число. Согласно аксиоме Архи- Архимеда, можно найти такое целое число т^О, что та <^nb <^(т-}-1) а. C) Число — принадлежит, таким образом, к классу R, а число 103
к классу /?' [в случае, когда а и Ь - соизмеримы, в пер- первом из неравенств C) следует поставить знак -<:, что не нару- нарушает дальнейшего хода доказательства]. ^ т-\~\ т 1 Гак как разность между числами и — равна — и при /z —>- з- > делается сколь угодно малой, то мы можем, другими словами, сказать, что аксиома Архимеда имеет следствием воч- 111 т -л 1 . можность найти два числа — и , измеряющие и с по- п п мощью а с недостатком и с избытком с любой степенью тон- 1 наста — . п Полагая b = (D, С), допустим теперь, что какому-нибудь другому переходу b' — (D', С) соответствуют те же классы чисел R и R', что и переходу (D, С). Тогда мы будем иметь, наряду с формулами C), для тех же чисел — и неравен- ства - D) Производя в соотношениях C) и D) вычитание крест-накрест, найдем, предполагая без нарушения общности, что D' или n{D\ D)<a при любом пу что, согласно аксиоме Архимеда, возможно лишь при (D\ D) = (D, D) = 0, так что D' и D совпадают и , C) = b. Этим и доказано, что переход b однозначно определяется заданием перехода а и двух классов R и /?' соответствующего разбиения всех рациональных чисел на два или, в случае соиз- соизмеримости, на три класса. 2. Отметим еще следующие свойства классов рациональных чисел R и /?', определяющих переход b при заданном д. Теорема 1. В нижнем классе R нет наибольшего, а в верх- верхнем классе R' нет наименьшего числа. В этом легко убедиться, вводя, например, для случая /-l т. е. ra<Cb = (Df С), обозначение (D\ C) = ra и рассматривая переход (Д D»0. 104
По аксиоме Архимеда найдется такое натуральное число 5. что s(D, D)>a, т. е. — я <С (D, D'). Но тогда , D) к & t т. е. число I r R, Таким образом, для всякого числа г нижнего класса молено указать большее число г , —, все еще принадлежащее ниж- о нему классу. Аналогично докажется теорема и для верхнего класса. Если -с целью достижения .большей симметрии в определе- определениях - рассматривать и для случая соизмеримых переходов де- деление всех рациональных чисел на два только класса, присоеди- присоединив промежуточное рациональное число г0 к какому-либо из двух классов R или R [ослабляя при этом знак неравенства в соответствующей из формул A) или B)], то, согласно дока- доказанной только что теореме, отличие случая соизмеримых пере- переходов от случая несоизмеримых переходов может быть форму- формулировано так. Если переходы соизмеримы, то число г0 оказывается край- крайним в том классе, к которому оно причислено: наименьшим— в верхнем, наибольшим — в нижнем. Ее аи же переходы несоизмеримы, то ни в одном из двух классов R и R\ исчерпывающих в совокупности все рациональ- рациональные числа, нет крайнего числа: в верхнем — наименьшего, в ниж- нижнем — наибольшего. Теорема 2. В классах R и R' можно указать числа, при- принадлежащие различным классам и сколь угодно мало отли- отличающиеся бруг от друга. Утверждение это было, по существу говоря, доказано выше на страницах 103—104. Действительно, построенные там раци- рациональные числа /// , т 1 г=— и г =- - п п принадлежат к различным классам и отличаются друг от друга на дробь —, которая может быть сделана сколь угодно малой. § 32. Действительные числа. 1. Так как, по доказанному в предыдущем параграфе, пере- переход Ь однозначно задается заданием исходного перехода а и 105
классов R и R' по формулам A) и B) (стр. 102), то мы можем сказать, что задание классов R и R' равносильно заданию опе- оператора, с помощью которого из перехода а получается пере- переход b. # Мы приходим, другими словами, к тому, чтобы ввести, объ- объединяя в общую схему случаи соизмеримых и несоизмеримых переходов, новую категорию операторов, которые мы назовем действительными числами, с помощью следующих определений. 1) Всякое разбиение всех рациональных чисел (или всех, кроме одного промежуточного) на два класса R и R' так, что все числа одного класса меньше всех чисел другого, определяет некоторое действительное число а. 2) Если действительное число а определено классами R и R', порождаемыми формулами A) и B) (стр. 102), то мы будем говорить, что переход Ъ получается из перехода а с помощью применения оператора а, и писать Ь = аа. Введение действительных чисел позволяет, таким образом, в случае выполнимости аксиомы Архимеда, однозначно охарак- охарактеризовать каждый переход с помощью действительного числа. 3) Два действительных числа мы будем называть равными- если они определяются одними и теми лее классами R и R' Это определение в точности соответствует определению равенства двух отношений, принадлежащему еще Евклиду и охватывающему случаи соизмеримых и несоизмеримых отрез- отрезков: „отношение CD к АВ равно отношению CXDX к АхВи если всякий раз, как nCD > тАВ <где п и т — целые числа), имеют место соответственные нера- неравенства nCxDx тАхВх\ Как легко видеть, в введенной нами терминологии это как раз и означает, что классы R и /?', определяющие отношение CD к АВ, совпадают с классами чисел R и /?', определяющих отно- отношение CxDt к АхВХз т. е. CXDX получается из АХВХ с помощью того лее оператора а, с помощью которого CD получается из АВ. Основанная на этом определении евклидова теория пропорций и являлась в системе греческой геометрии логическим эквива- эквивалентом современной теории действительных чисел. 4) В соответствии с общим определением скалярного распо- расположения для операторов (стр. 93), мы устанавливаем по опре- определению для действительных чисел аир неравенства :об
если верхний класс R для числа а и нижшш класс R для числа р имеют общие элементы. Если такой общий элемент есть г и Ь = аа, с=фа, то, со- согласно формулам A) и B) (стр. 102), мы будем иметь соответственно с чем мы и принимаем по определению, что В частности, если а определяется классами R и R' и г — r'czR', то Таким образом, мы видим, что определение оператора с по- помощью классов R и R' заключается по сути дела в установле- установлении места действительного числа а в скалярной системе ра- рациональных чисел соответственно определенному неравенствами r'a месту, занимаемому переходом Ь в скалярной системе соизме- т римых с а переходов типа -а. В том случае, когда существует рациональное число rQ, удо- удовлетворяющее неравенствам r<Cro<Cr> действительное число а, определяемое классами R и /?', совпадает с этим рациональным числом. Если же в системе рациональных чисел нет промежу- промежуточного числа г0, то соответствующий пробел заполняется, со- согласно неравенствам /*<Са<Сг\ числовым символом вновь вводи- вводимого рода — иррациональным числом а. 2. Перейдем теперь к определению действий над действи- действительными числами. . Согласно общему определению действий для операторов, для суммы Л = а-|-р и произведения ^ = ар действительных чисел мы должны иметь Ха = аа к и Отсюда следует, что если а определяется классами чисел R и /?', а р классами чисел 5 и S', то сумма а-|-р и произведение ар должны быть определены так, чтобы для всяких rczR, rczR' и sazS, s'cuS' было и Обозначим через L класс всех чисел типа r-|-s, через И класс всех чисел типа r'-\-s' и аналогично через М и М классы чисел rs и ris\ 107
Для доказательства того, что классы L w L определяют неко- некоторое действительное число \ а классы М и М — некоторое действительное число р., достаточно будет убедиться в том, что в обоих случаях в указанные классы входят все рациональные числа, кроме, быть может, одного. С этой целью рассмотрим рациональное число /, удовлетво- удовлетворяющее для каких-либо г,сг/? и s, =5 неравенству Так как t—r,<^s,, то, стало быть, t — ry S и можно поло жить t — rx=s,y или t=rt | s2, откуда вытекает, что tczLm Аналогично докажется, что при должно быть Остается случай, когда для всех г, s, r\ s\ Докажем, что может существовать только оОно рациональное число ty удовлетворяющее всем таким нера- неравенствам. В самом деле, если #¦-; то коль скоро, в соответствии с теоремой 2 § 33, г' и г, так же как и s' и s, выбраны так, что 1 . и s — /г 2 Так как число - произвольно мало, то разность ?2 — tx не может быть отлична от нуля и мы получаем t.2=tx. Существование такого, по доказанному единственного, числа t соответствует случаю, когда классы L и L' определяют рацио- рациональное число t, которое мы и назовем суммой действительных чисел «ир. В остальных случаях классы I и Г исчерпывают все рацио- рациональные числа и определяют иррациональное число \ являю- являющееся, по определению, суммой чисел аир. Аналогично доказывается и соответствующее свойство клас- классов М и М'у в силу чего мы можем во всех случаях утвер- утверждать, что этими классами определяется действительное (рацио- (рациональное или иррациональное) число \ь, называемое, по опреде- определению, произведением чисел з и р. 108
При доказательстве приходится пользоваться тем, что раз- разность г У— rs = (r' — r)s r(s' — s) может быть сделана сколь угодно малой за счет сближения г' и г, а также s и s. Теперь мы можем доказать, что требования общих опреде- определений для операторов, выражаемые равенствами (сс-| tya — aa к и действительно выполняются при указанных определениях суммы Л —а 6 и произведения ji. = ap. Действительно, из неравенств га<^сш<^г'а и sa<^$a<^s'a вытекает, что (г s)a<^aa к ?я<(г' s')tf и rsa <^ а (Йа) <^ r's'a. С другой стороны, тем же неравенствам удовлетворяют, по определению, и переходы )м и \ш, откуда, но доказанной в § 33 единственности определения перехода с помощью соответствую- соответствующих классов, и вытекает, что Ari = (а -\- 3) а = ъа к и В частности, отсюда следует, что при характеристике пере- переходов действительными числами выполняется основное требова- требование теории измерения, согласно которому композиции перехо- переходов соответствует сумма отнесенных им чисел. Так как сложе- сложение действительных чисел, очевидно, коммутативно, то отсюда следует коммутативность композиции переходов для величин, удовлетворяющих введенным в предыдущих параграфах требо- требованиям. Нетр>дно, далее, установить определения и для остальных основных действий в области действительных чисел, а также убедиться в выполнении основных формальных законов этих действий (сочетательность, дистрибутивность и т. д.). Мы не останавливаемся здесь на этих вопросах, так как теорией дей- действительных чисел мы подробно займемся в главе VI. 3. Заметим в заключение, что теория иррациональных чисел, основанная на рассмотрении двух классов рациональных чисел, удовлетворяющих требованию определения 1 (стр. 106), принад- принадлежит германскому математику Дедекинду и относится к 1858 г. Дедекинд не рассматривает третьего класса, включая, в случае, когда определяемое действительное число — рацио- рациональное, это число в один из классов, нижний или верхний. Со- Соответствующее разбиение всех рациональных чисел на два класса носит в общем случае название сечения Дедекинда. Отличие рациональных чисел от иррациональных устанавливается в этом случае признаком, указанным на странице 105. 109
Изложенная выше теория измерения, в которой сравнение кратных f mb = na j заменяет собой известный из элементарной геометрии метод разыскания- общей меры с помощью алгорифма Евклида, позволяет, как мы видели, весьма просто осуществить переход к теории'Дедекинда и сближает теорию сечений с евкли- евклидовой теорией пропорций. Любопытно отметить, что метод сра- сравнения кратных не лишен и практических приложений. Так, от- отношение длин делений двух равномерных шкал точнее всего определяется -путем разыскания двух наиболее близких делений при наложении обеих шкал друг на друга (аналогичное построе- построение осуществлено в конструкции нониуса). Тот же метод исполь- используется для сравнения хода двух хронометров путем определе- определения на слух моментов наибольшего сближения у них ударов маятника. О делении интервалов на части здесь не приходится и думать и указанный путь является единственным способом добиться нужной степени точности. Для синхронизации хроно- хронометров также применяются аналогичные нониусу специальные хронометры, у которых число ударов маятника в единицу вре- времени на 1 отличается от нормального. С некоторыми арифметическими приложениями того же метода мы познакомимся в главе XIII. § 33. Построение шкалы числовых отметок на основе процесса измерения. 1. Резюмируем полученные результаты, возвращаясь к'основ- ному вопросу о характеристике значений скалярной величины, удовлетворяющей введенным выше условиям, с помощью чисел. Выбрав какой-либо переход а = (А> В) за основной, мы можем каждому переходу b = (Cf D) отнести то действительное число а, которое, будучи применено как оператор к переходу а, даст в результате переход Ь: В). Основному переходу а будет при этом отнесено число 1, ком- композиции переходов — сумма отнесенных им чисел, противопо- противоположным по направлению переходам — обратные по знаку числа, нулевому переходу — число нуль. Выбирая, далее, какое-либо значение О данной скалярной величины за начальное, мы можем отнести каждому значению С скалярной величины действительное число у, измеряющее пере- переход (С, О) в выбранной единице меры а соответственно с фор- формулой С=(С, О) к О=аа к О. Эта формула есть краткая запись тех операций, с помощью которых, отправляясь от фиксированной начальной точки О и пользуясь основным переходом а, мы приходим к значению С охарактеризованному числом а. НО
Таким образом, в приведенной схеме числовых характеристиь число а фигурирует трижды: 1) как характеристика операции, с помощью которой пере- перевод (С, О) получается из перехода (Д В), 2) как числовая характеристика перехода (С, О) при выбран- выбранном основном переходе (Д В), 3) как числовая характеристика значения скалярной вели- величины С при выбранных основном переходе (А, В) и начальной точке отсчета О. Лишь в первом случае мы имеем дело с отвлеченными коли- количественными числами в чистом виде, для которых все основные операции — сложение, вычитание, умножение и деление — допу- допускают совершенно отчетливое конкретное истолкование и имеют притом инвариантный смысл, не зависящий ни от выбора началь- начальной точки шкалы, ни от выбора единицы меры. Числа, измеряющие переходы, окажутся здесь, очевидно, раз- разностями числовых отметок начальной и конечной точек пере- перехода. При изменении начала отсчета эти числа не меняются, а числовые отметки получают одно и то же приращение на число, измеряющее переход от нового начала к старому. При изменении основного перехода как числа, измеряющие переходы, так и числовые отметки приобретают одного и того же множи- множителя, соответствующего оператору, переводящему новый основ- основной переход в старый. Числа, соответствующие операторам, оказываются равными отношениям чисел, измеряющих переходы, т. е. отношениям разностей числовых отметок. Взаимоотношение этих трех типов числовых характеристик было уже нами рассмотрено в § 26 и 27. Позволяя себе оперировать одновременно с числовыми харак- характеристиками этих трех типов, мы сталкиваемся с отсутствую- отсутствующей в системе отвлеченных чисел-операторов необходимостью различать по смысловому значению первое и второе слагаемые и сомножители и соответственно рассматривать два типа ка- каждого из обратных действий: вычитания и деления. Так как эти обстоятельства играют значительную роль в методике и, как мы увидим ниже, позволяют значительно яснее представить себе дальнейшие обобщения в области операций третьей ступени, то мы остановимся здесь несколько подробнее на этих вопросах. Мы будем здесь обозначать Числовые характеристики значе- значений величины и самые эти значения одними и теми же буквами Л, Б, С, ... и точно так же числа, измеряющие переходы, и самые переходы — одними и теми же буквами ау Ь, г, 1) Сложение операторного типа A '-ft —С. В этой формуле, соответствующей соотношению С—Ь к А, первое слагаемое и результат характеризуют значения величины, второе слагаемое играет роль оператора первой ступени, харак- характеризующего действие — переход (С, А), применение которого к А дает значение С. ш
Аналогичную роль играет и вычитаемое в формуле вычига- ния операторного типа В формуле же речь идет о разностном сравнении или измерении первой сту- ступени С посредством Л, т. е. о нахождении операции перехода ? = (С, А), с помощью которой от значения А можно перейти к С. Это двоякое смысловое значение вычитания проявляется уже в элементарных задачах типов: „было столько-то, стало на столько-то меньше; сколько осталось?" и „что надо отнять от того-то, чтобы получить то-то?а. 2) Сложение, соответствующее композиции операторов пер- первой ступени, т. е. переходов: а -\- b = с. Здесь элементы обеих частей — операторы первой ступени — переходы. Смысл равенства: последовательное применение двух операторов первой ступени (осуществление переходов а. и Ь) равносильно применению оператора первой ступени с (пере ходу с). Оба слагаемых равноправны и сложение коммутативно, 3) Пользуясь формулой В= О-\-Ьу можно, предварительно применяя измерение первой ступени ко второму слагаемому В, формально определить сложение для двух числовых характе- характеристик значении скалярной величины А и В так: А ? = Л + где — О есть результат разностного сравнении В и принятого за начало отсчета значении О. К тому же результату придем, применив разностное измере- измерение к обоим слагаемым. Именно, если еще и а = А- О, то мы положим ^ А В=Оп а b = O Мы видим, что определенная таким образом сумма-Л , В, естественно, неинвариантна, т. е. зависит от выбора точки О, но обладает свойством коммутативности. Пользуясь несколько неточным способом выражения, можно ирочесть формулу А- В=А b гак: из значения величины А мы получаем новое значение „так" (т. е. с помощью равного перехода), как В получено из значе- значении величины О. 112
Числовые выкладки, как легко видеть, во всех случаях одни и те же Однако сложение третьего типа имеет исключительно формальный смысл; мы фиксируем на нем внимание читателя лишь для того, чтобы полностью провести аналогию между опе- операциями различных ступеней. Именно, аналогично предыдущему, мы различаем Г) Умножение операторного типа В этой формуле сна характеризуют переходы, между тем как множитель р есть оператор второй ступени, характери- характеризующий действие (в случае рационального оператора состоящее из операций сложения равных слагаемых и разложения на рав- равные слагаемые, а в общем случае выражающееся с любой сте- степенью точности такими операциями). Смысл равенства с = фа: применение оператора р к переходу а дает в результате пере- переход с. Тот же операторный смысл имеет делитель * (или, что то же, множитель J в формуле с : р = а. Это есть беление операторного типа, обычно рассматривае- рассматриваемое лишь для случая целого р. Смысл этого действия легко уясняется, впрочем, и для дробного р на примерах, соответ- соответствующих, выражаясь несколько вольно, делению на 2 части, 1 * ~2 части и т. п. На чертеже 7 следует представлять себе нижнюю линейку с делениями для отсчета значений р растяжимой. Различная степень растяжения соответствует и-. с ¦— — - С —~ -н—4—.—« к-/! t Ч Э !' Черт. 7. случаям деления на 2, 2 и ^ В формуле же с : а = р речь идет о кратном сравнении („делении но содержанию" или об измерении второй ступени с посредством я), т. е. о нахож- нахождении операции второй ступени (состоящей из сложения равных слагаемых и разбиения на равные слагаемые или приближенно 8 Теоретическая арифметик! - L717 113
выражающейся таким путем), посредством которой из о можно получить г. 21) Умножение, соответствующее композиции {последова- {последовательному производству) операций второй ступени: Здесь оба сомножителя и произведение операторы. Смысл ра- равенства: последовательное производство операций р и а равно- равносильно применению оператора у. Сомножители равноправны и умножение коммутативно. 3') Пользуясь формулой где с -единица меры, можно, применяя предварительно опера- операцию измерения второй ступени к первому сомножителю, фор- формально определить умножение для чисел а и Ь, отнесенных переходам^ так: Ьа где Р= есть результат измерения Ъ посредством с, принятого за еди- единицу. К тому же результату придем, применив измерение второй ступени к обоим сомножителям. Именно, если еще и а = а: с, то мы получим аЪ = а$с = $ас = Ьа. Определенное таким образом произведение ab коммутативно, но, естественно, неинвариантно, т. е. зависит от выбора еди- единицы меры с. На практике этот случай встречается в вопросе нахождения площади прямоугольника и в других приложениях аналогичного рода. Пользуясь и здесь несколько неточным способом выражения, можно прочесть формулу Ьа = $а так: из а мы получаем новую величину d—$a „така (т. е. с помощью того же оператора второй ступени р), как b получено из су принятого за единицу меры. Мы вернемся в главе V к затронутым здесь вопросам в связи с операциями высших ступеней. 2. В заключение позволим себе подчеркнуть следующее. В методике преподавания много внимания уделяло.сь различ- различным трактовкам вопроса о действиях с „именованными" числами. Как вытекает из изложенной выше теории измерения, всякие числовые характеристики опираются на основную базу „отвле- „отвлеченных" числовых характеристик, которые вводятся в первую очередь и над которыми и производятся все арифметические действия. Выделение какой-то особой категории „именованных" чисел и действий над ними лишено поэтому всяких оснований: под „числом* в математике всегда разумеется „отвлеченное" 114
число, вследствие чего само прилагательное „отвлеченный" является с принципиальной точки зрения излишним. В связи с этим в формальной теории действий над числами — в силу коммутативности первых двух операций нет вообще никакого смысла различать различные типы прямых и обратных действий первых двух ступеней. Мы остановились здесь на таком различении, во-первых, ввиду дальнейших обобщений на случай коммутативных операций третьей степени, и, во-вторых, по сле- следующим соображениям. Поскольку речь идет о приложениях и конкретном истолко- истолковании действий над числами, необходимо — в частности, и с точки зрения методики —отдавать себе достаточно ясный отчет в том, как вводятся при измерении величин различные числовые харак- характеристики и каков в связи с этим конкретный смысл числовых соотношений в различных случаях. Мы стоим здесь на той точке зрения, что в наиболее общей форме это конкретное истолкова- истолкование получается, если последовательно проводить операторную концепцию числа, изложенную выше. Это позволяет, в част- частности, с уверенностью ориентироваться в различных методи- методических приемах, преследующих цель конкретного истолкования действий на той или иной ступени развития понятия числа. Таковы, например, упомянутые уже ранее вопросы об умноже- умножении и делении дробей и отрицательных чисел; отметим здесь еще довольно распространенное неточное общее определение умножения, операторный смысл которого разъяснен в п. 3' на- настоящего параграфа, а также истолкование действий над отри- отрицательными числами, в которых эти последние трактуются, как вычитаемые: читатель легко узнает здесь — для операций пер- первой ступени — композиционное сложение переходов пункта 2 и — для операций второй ступени - - операторное умножение пункта 1 . Наконец, отметим еще, что различение смыслового значения равенств между физическими величинами как соотношений между переходами или между операторами представляет собой простейший общий метод ориентировки в вопросах размерности. § 34. Классификация скалярных величин на основе критерия выполнимости операций. Остановимся на остававшемся до сих пор в тени вопросе о выполнимости введенных выше операций в области переходов, получаемых при изучении той или иной скалярной величины. Кроме основного постулата о возможности неограниченной композиции переходов положительного направления, изложен- изложенная выше теория ни в одном пункте не требует ни 1) выполнимости любого перехода от любой начальной точки, ни т 2) выполнимости операции (Л, В) по отношению к лю- любому переходу (А, В), ни п 3) выполнимости операции а (Л, B)t т. е. существования пере- переходов, соответствующих любому действительному оператору а, • 115
определенному произвольным дедекиндовым сечением области рациональных чисел. Критерий выполнимости или невыполнимости тех или иных переходов или операций может быть положен в основу клас- классификации скалярных величин. Скалярная величина называется непрерывной, если выполнено требование 3, т. е. каждому действительному числу (хотя бы в некотором интервале) соответствует некоторый переход и, следовательно, при фиксированном выборе начальной точки, некоторое значение величины. Это свойство постулируется для основной геометрической непрерывной величины- системы точек на прямой или системы соответствующих переходов—отрезков прямой, а также для целого ряда физическич величин (время, масса и т. д.), извест- известные свойства которых обусловливают принятие при математи- математическом их изучении указанного постулата непрерывности (в пре- пределах макроскопической физики). Однако и для непрерывных величин необязательно выпол- выполнение требований 1 и 2. Так, например, величина 6, характе- характеризующая отношение некоторой величины Л к ее минимальному возможному значению Д,^>0, будет принимать лишь значения 6~_Л. Требование 2, таким образом, не будет выполнено, так как выполнимость операции 0 будет иметь место лишь для Ь^п. п Целый ряд встречающихся в естествознании и обычной прак- практике непрерывных величин, которые естественно назвать суще- существенно положительными, не удовлетворяет требованию 1. Таковы, например, если не рассматривать дальнейших обобще- обобщений: масса, плотность, объем, длина отрезка или вектора, вес и т. д. В области этих величин сложение может быть определено обычно с самого начала для любых двух значений величины в объективном смысле и потому процесс измерения проводится здесь для значений величины так, как это в общем случае было проведено для системы переходов. Для характеристики значений таких величин достаточно положительных чисел; в большинстве случаев можно, отвле- отвлекаясь от микроструктуры материи, считать выполненным посту- постулат 2 неограниченной делимости, так что сколь угодно малому числу соответствуют все же значения величины. Число Же нуль играет при этом роль абсолютного (а не условного) начала, при- притом роль предельную, так как самому числу нуль никакого зна- значения величины не соответствует. В силу того, что такого рода существенно положительные величины долгое время являлись единственным материалом изу- изучения, представление об „отсутствии чего бы то ни былоа, связанное с числом нуль, значительно затрудняло развитие тео- теории направленных скалярных величин, характеризующихся (п. 1) выполнимостью переходов не только прямого, но и обратного направления (т. е. с точки зрения, укрепившейся при изучении 116
существенно положительных величин „невозможных" переходов к значениям „меньшим, чем ничто"). В области направленных величин, как мы видели выше, число нуль имеет: 1) порядковый смысл, соответствующий значению величины, выбранному за начало отсчета, и 2) количественный смысл в области переходов или разностей числовых отметок. В этом последнем случае равенство пере- перехода нулю соответствует факту совпадения цвух значений вели- величины и имеет непосредственный, а не предельный, как в рас- рассмотренном выше случае, смысл. К числу направленных величин, для которых нуль имеет зна- значение произвольного начала Ьтсчета, принадлежат также многие физические величины. Наиболее характерным примером служат величины, объединяемые под общим названием потенциала. При этом существенно отметить, что объективную роль — в со- соответствии с произвольностью начала отсчета- играют обычно связанные с этими величинами переходы, измеряемые разно- разностью потенциалов. Заметим попутно, что привычка оперировать с направлен- направленными величинами в настоящее время может вызывать, в свою очередь, недоразумения в отношении величин, которые в* про- процессе экспериментального изучения оказываются имеющими абсолютные границы. Сюда относится, например, представление о том, что температура -272° близка к температуре —273°, тем- температура — 272°,5 еще вдвое ближе и т. п. Легко видеть, что 1) абсолютный нуль температуры играет здесь предельную роль и что 2) понятие о „близости" и „вдвое ближе" основано на таком определении равенства переходов, которое способно вы- вызвать лишь ложные представления в области соотношений, ха- характеризующихся понятием абсолютной температуры. Доста- Достаточно перейти к иному определению равенства переходов и, тем самым, к иному способу измерения и числовой характери- характеристики, введя, например, величину log T в качестве характери- характеристики температуры, и абсолютному нулю будет соответствовать предельное значение со, формулировки же „близко" и „вдвое ближе" потеряют, как это им и следует, всякий смысл. Эту зависимость числовых характеристик физических величин от исходных определений следует вообще всегда иметь в виду, так как неправильные представления довольно часто проскаль- проскальзывают незамеченными даже в точные науки под прикрытием привычных оборотов речи и имеющих, вообще говоря, довольно многообразный смысл словесных формулировок.
ГЛАВА IV. ТЕОРИИ ПАР. § 35. Переход к теории пар. То обстоятельство, что построения § 29—33, приводящие к последовательным обобщениям понятия числа, не опира- опираются на требования выполнимости условий 1—3 (стр. 115), играет чрезвычайно важную методологическую роль. В соответствии с изложенной выше теорией относительных чисел, мы можем сказать, что даже существенно положитель- положительным величинам соответствует система переходов, образующих уже направленную величину, в которой каждому переходу а соответствует переход противоположного направления — а. Аналогично этому, даже для дискретных величин, не допу- допускающих, вообще говоря, деления на части, система операто- операторов образует величину, в которой каждому оператору а = п 1 , соответствует оператор а = такой, что композиция (последо- IV вательное применение) этих операторов дает единичный опера- оператор 1, не меняющий значения величины, к которой он приме- применяется. Эту систему операторов можно, если угодно, рассматри- рассматривать также, как некоторую систему переходов по отношению к данной аддитивной, существенно положительной и дискретной величине. При этом равенство этих „переходов второй ступени* определяется, как равенство отношении значений величины, обратные друг другу операторы п и характеризуют два про- противоположных „направления" в области переходов второй сту- ступени, композиции переходов соответствует умножение чисел и т. д. Эта возможность построения относительных чисел на основе изучения существенно положительной величины (путем рассмот- рассмотрения переходов первой ступени) и дробных на основе изуче- изучения дискретной величины, не допускающей деления на части (путем рассмотрения переходов второй ступени), и используется как раз при построении формальных теорий отрицательных и дробных чисел, опирающихся лишь на систему целых положи- положительных чисел как на исходную скалярную величину и извест- известных под названием теорий пар, 118
Поясним это подробнее. Рассмотрим скалярную величину, со- соответствующую расположению совокупностей дискретных пред- предметов в порядке возрастающей мощности. Значения этой величины характеризуются целыми положи- положительными числами 1, 2, 3, 4, 5, ... С точки зрения намеченной выше классификации скалярных величин мы имеем здесь дело 1) с абсолютной и притом пре- предельной начальной точкой нуль, которой не соответствует ника- никакого значения величины, и 2) с абсолютной и притом неделимой единицей меры 1, т. е. с существенно положительной дискрет- дискретной величиной, для которой операция деления на части, вообще говоря, невыполнима. Однако, согласно только что сказанному, переходы, порож- порождаемые этой величиной, образуют уже направленную величину. В области переходов (т. я). соответствующих разностям т- -п, представлены уже не только положительные числа т — п при т^>п9 но и отрицательные числа, характеризующие противоположные по направлению пе- переходы (л, тп), где п<^гп. Определяя равенство переходов (р, q) и (г, s), как равенство разностей р — q и г s или q—р и s — г, мы можем, исходя из обнимающей оба случая формулы построить теорию относительных чисел, как теорию пар (т, п) положительных чисел, определяющих соответствующий пе- переход. Аналогично, рассматривая операторы кратного сравнения или переходы второй ступени, мы найдем, что в области операто- операторов или отношений представлены все рациональные числа. Со- Соотношение служащее (см. § 29) определением равенства операторов — /тс, п и , можно здесь рассматривать, как определение равенства п пх двух переходов второй ступени (/гс, п) и (/тс,, л,), рассматриваемых в исходной системе целых чисел. Опираясь на это определение, можно, таким образом, построить теорию дробных чисел, как пар (т, щ целых чисел, определяющих соответствующий переход второй ступени. Таким образом мы приходим уже к чисто арифметическим теориям относительных и рациональных чисел, построение кото- 119
рых опирается лишь на основную для арифметики скалярную систему натуральных чисел. Эти построения, отвлекающиеся от внешнего субстрата _ка- кой-либо иной скалярной величины, помимо указанной, лежат, стало быть, внутри самой арифметики и играют поэтому основ- основную роль в современном аксиоматическом обосновании понятий отрицательного и дробного числа. К изложению этих теорий, которые могут быть развиты независимо друг от друга, мы и переходим. « § 36. Отрицательные числа как пары положительных чисел. Мы считаем, что приведенных только что замечаний доста- достаточно для уяснения связи теории пар с общей теорией скаляр- скалярных величин. Сейчас, ставя своей основной целью выяснение логической структуры рассматриваемых аксиоматических теорий, мы уделим основное внимание формальной стороне дела. Определение 1. Относительными числами называются пары (а, Ь) положительных чисел а и Ь. определяемые заданием этих чисел в указанном порядке и подчиненные законам скалярного сравнения и законам действий, устанавливаемым следующими определениями. Определение 2. Пара (a, b) > (r, d) соответственно тогда, когда a-\-d ^b-\-c. Следствие. Всякая пара переходит в равную ей, если к обоим ее элементам прибавить одно и то же число, т. е. Можно также сказать, что всеми такими парами и только ими задается одно и то же относительное число, равное (а, Ь). Теорема 1. Система пар образует скалярную величину, удовлетворящую постулатам § 25. Так, например, если (а, Ь)>(с, d) и (с, d)>(e,f), ТО c и c+f>d-\-e. Складывая, получим а-\ ^ + ^+/>6 + ^ + d+e, 120
что возможно лишь, если т е (a, Аналогично проверяются и остальные постулаты. Определение 3. Суммой двух пар {а, Ь) и {с, d) назы- называется пара {а \-с9 b-\- d\ так что по определению (а, Ь) + {сш d) = {a + cy b + d). Примечание. Если рассматривать систему пар как систему переходов и определять сложение пар (а, Ь) и (btf) как композицию переходов (а, Ь) и (b,f), дающую в результате переход (a, /), то определение 3 будет вытекать, как частный случай, из общего определения композиции переходов § 28 и опреде- определения равенства пар. Действительно, если (с, a) = (b, f), так что c+/=d+&, то a-\-c-\-f=a-\-d-\-b и, следовательно, (а, /).= (а 4- с, b-{~d). Теорема 2. Сумма не меняется при замене слагаемы* равными им. Действительно, если {а\ b') = (a, b) и (с d')=(cy d), Т0 а и, следовательно, a (а' ±с\ V , €/') = Это предложение можно формулировать еще так: сумгда от- относительных чисел не зависит от способа задания их той или иной парой из системы равных между собой пар. Сложение относительных чисел есть, таким образом, опера- операция, всегда выполнимая и однозначная. Теорема 3. Сложение обладает свойствами перемести- переместительности и сочетательности. Это также проверяется непосредственно. Г е о р е м а 4. В системе относительных чисел операция вычитания, обратная операции сложения, всегда выполнима и однозначна, т. е. всяким двум парам (я, *) и (г, d) соответствует система равных между собой пар (л;, у), удовлет- удовлетворяющих соотношению {а, Ь) + (*, у) = (с, d). Для доказательства достаточно заметить, что написанное соотношение, по определению сложения, равносильно равенству (а \-хя b+y) = (c, d),
-а это писледнее, по определению 1, равносильно соотношению а + х ~\~ d = Ь -f- у -|- г Согласно с определением 1, это означает, что Все пары, обладающие требуемым свойством, таким образом, равны между собой и равны паре (c-\-b, d-\-d). Обозначая операцию вычитания знаком „—в, мы можем, стало быть, на- пиСаТЬ (с, d) - (а, Ь) = (г + 6, d + а) = (с, d) + Пара {Ь9 а) называется противоположной или обратной по знаку по отношению к паре (а, Ь). Можно условиться писать , а)= — (а, Ь). Написанная выше формула выражает, таким образом, что вычитание может быть заменено прибавлением противополож- противоположной вычитаемому пары. Сумма пары (а, Ь) и противоположной ей (?, а) равна (a, b) + (b, a) = (a + b, а + Ь). Одновременно можно написать (а, Ь) — (а, Отсюда, по теореме 4, вытекает, что все пары с совпада- совпадающим первым и вторым элементами равны между собой (a, a) = (b, b) — ... и являются единственными парами, обладающими тем свойством, что прибавление их к любой другой паре не изменяет этой последней (в смысле соотношения равенства). Всякую пару типа (а, а) мы будем в соответствии с послед- последним свойством называть модулем операции слоэюения или нулем и писать / \ л (я, я) —0. Стало быть: сумма противоположных пар или, что то же, разность равных пар равна нулю. Теорема 5. {а, Ь)^-{с, d> в зависимости от того, будет ли разность (а, Ь) — (с9 4)Щ0. Так, если (я, *)>(с, d), т. е. a-|-rf>* + c, то a-\-d-\-e> yb-\-c \-e, т. е. я, Ь) — (г, d) = (a + d, Ь V г 122
Остальные случаи не стоит рассматривать. Следствие. Сумма (a, b)-\~(c, d)=(a, b) в зависимости от того, будет ли Обозначая (а, Ь) \ (с, d) через {а\ Ь), находим = (a\ b')-(a, b) и применяем предыдущую теорему. Теорема 6. {а, Ь)^>0, если а^>Ь, и (а, Ь)<^09 если а В самом деле, неравенства а-\~с^>Ь \~с и а так же как и а~\- с<^Ь-\~с и а равносильны, Следствие. Если (а, Ь)^>0, то противоположная пара Фу #)<C0> u наоборот. Этими теоремами устанавливается связь между скалярным расположением пар и расположением положительных чисел, используемых в качестве элементов пар. Определение 4. Произведением двух пар (а, Ь) и {с, d) называется пара (ас-} bd, ad f-bc), так, что, по определению, (а, Ь) (с, d) = (ac-\-bd, ad -\ be). Примечание. Для уяснения происхождения этого определения доста- достаточно рассмотреть тождество (а Ь) (с — d) = bd-{~ac -ad — fo*. Содержание определения выходит, однако, за пределы этого тождества, предполагающего, что а*>Ь и о d, да и пары (а, Ь) и (с, d) мы не в праве еще отождествлять с разностями а- -Ъ и с- -d [Ср. принцип перманентности Ганкеля (стр. 127)]. Мы ограничиваемся этими указаниями, так как содержательное смысловое опре- определение умножения относительных чисел было дапо в § 29, здесь же речь идет о формальном аксиоматическом построении теории. Теорема 7. Произведение не меняется при замене сомно- сомножителей равными им парами (т. е. операция умножения одно- однозначна). Действительно, если (a, b) = (a'y b')9 т. е. а г b' — a' t b, то ас {-b'c — a'c ' be и 123
откуда, складывая крест-накрест, находим ac-\-bd \ rid \ b'c=bc+ad±alc \- b'd, т е («, Ь) - (с, d) = (а', Ь') • (с, d). Аналогично можно поступить и в отношении второго множи- множителя, что, впрочем, излишне, так как имеет место Теорема 8, Умножение пар обладает свойствами переме- стительным, сочетательным и распределительным по отно- отношению к сложению. Переместительность очевидна, так как элементы пар в про- произведение входят симметрично. Предоставляя читателю убедиться в выполнимости сочета- сочетательного закона, проверим лишь, что [(«, Ь) \ (е, /)] (с, d) = {а, Ь) {с, d) J- (е9 /) (г, d). Действительно, ^\-е, b \-f){c, d) — (ac ec-\ bd-\~fd, ad ed T bc = (ac bd, ad ' bc)-\ (rc+fd, ed \-fc) = = (a9 b) (c, d) i (e,f) (c, d\ Теорема 9. При перемене знака одного из сомножителей, т, е. замене ею противоположной парой, произведение меняет знак, т. е, переходит в противоположную пару. Справедливость этой теоремы проверяется непосредственно на основе определения 4, Так как при (а, й)>0 и (с, d)>0 будет ac--bd -{be ad)={a — b) (с и, стало быть, (а, Ь) (с, d)^>0, то отсюда получаем обычную формулировку правила знаков при умножении. Из только что приведенного неравенства в связи с теоре- теоремой 9 вытекает далее Теорема 10. Произведение равно нулю в том и только в том случае, если один из сомножителей равен нулю. В этом нетрудно убедиться и непосредственно. Если («, b) • (с, d) = 0, то ас-* bd = bc ' ad. Пусть (я, А)^0, т. е. а -*- Ь. Если а^>Ь, то мы можем написать (a — b)c = (a — b)dy откуда следует, что c = d, т. е. (с, rf) = 0. Если же я<С^, то из того же соотношения получаем (b — a)d = (b- -а)с, откуда опять следует, что d=c и, следовательно, (с, d) = 0 124
Обратная умножению операция деления в случае, если эле- элементы пар, как мы пока предполагаем, целые числа, не всегда выполнима. Однако, в тех случаях, когда деление (на пару, отличную от нуля) выполнимо, оно однозначно. Это предложение есть след- следствие только что доказанной теоремы 10. Действительно, если = (а, Ь) то (а, Ь) (х. у)—{a, b) (xXJ yl) = (a, Ь) [(х, у) — (хи _у,)]=0, откуда, при очевидно необходимом условии (а, Ь)фО следует (х, у) = (хи § 37. Пары как числовые системы с двумя единицами. Разыщем теперь модуль операции умножения, т. е. такие пары (х, у), которые при умножении на любую пару не изменяют этой последней, так что , Ь) (л:, у) = {а, Ь). Это соотношение приводит к равенству ax-\-by -J b = bx У ay -{ а, ИЛИ ах-] Ь(у Ь \) = а(у \ 1) + Ьх9 что будет удовлетворено при 1. Согласно теореме об однозначности операции деления все пары (ху у\ удовлетворяющие соотношению (a, b) (x,y) = (a, b)t при любых неравных а и b равны между собой и суть пары типа / | , ч у которых первый элемент превышает второй на единицу. Всякую такую пару мы будем называть положительной еди- единицей в области пар и обозначим знаком Е. Противоположную пару (у, j/ —|— 1) будем обозначать знаком Ё и называть отрица- отрицательной единицей в области пар. Из теоремы 9 следует, что (a, b)E=-(a, b)E = — (a, b) = (b, а), т, е. умножение на Е равносильно перемене знака пары. Определим теперь операцию умножения пары на целое поло- положительное число п так: п (а. Ь) — (а, Ь) ... (а, Ь) {п слагаемых) = {па, nb\ тогда (a, b) = (at b)E = (at b) (y-\ 1, у) = [ау-\ а~\ Ьууау \- 125
К этому мы и клонили дело, вводя единицы Е и Е. Таким образом, всякая пара может быть представлена в виде (а, Ь) = аЕ-\-ЬЁ. Элементы пары -положительные числа а и b являются, таким образом, ее компонентами в разложении по единицам Е и Е. Условие равенства двух пар можно рассматривать как след- следствие соотношения Е \-Ё=О, где О есть модуль сложения. При сложении двух пар соответствующие их компоненты складываются, умножение же, как легко убедиться, можно про- производить, применяя к выражениям типа аЕ-\-ЬЕ распредели- распределительный закон и используя соотношения Арифметику, или, как говорят, алгебру пару можно, таким образом, рассматривать как исчисление с двумя единицами, действия над которыми подчиняются указанным формальным законам (ср. построения гл. X—XII). § 38. Включение положительных чисел в систему пар. Принцип перманентности. 1. Возвращаясь к теории относительных чисел как пар, рас- рассмотрим основной вопрос о включении системы положитель- положительных чисел в систему парш Это осуществляется с помощью особого соглашения. В при- принятой нами системе изложения, в которой в качестве элементов пары используются лишь положительные числа (нуль исклю- исключается), это соглашение заключается в следующем. Всякую пару (а, Ь) при а ^>Ь условимся считать равной поло- положительному числу а — Ьт Принимаемое таким образом условие, в силу которого система положительных чисел включается в систему пар, влечет за собой естественное обязательство проверить: не находятся ли введен- введенные выше определения скалярного расположения, сложения и умножения в противоречии с теми, которые установлены для положительных чисел. Другими словами, необходимо доказать, что, рассматривая положительные числа r= a — b как пары (а, Ь) и применяя определения, относящиеся к парам, мы получим те же резуль- результаты, что и при непосредственном оперировании этими положи- положительными числами, Проверить это нетрудно. Действительно, определение равен- равенства и неравенства пар (а, Ь) и (с, d) соответствует соотноше- соотношениям» вытекающим из неравенств а — b^>c — d при а^>Ь и c^>d. Только случай выполнения последних неравенств соответ- 126
ствует совпадению пар с положительными числами. Не следует моэтому забывать, что, включая соотношение а — b^>c— d как частный случай, определение 2 (стр. 120) является, тем не менее, более общим, так как оно относится и к таким парам, для кото- которых а<^Ь или c<^dy и, следовательно, разность a — b или с — d в области положительных чисел не существует. В согласии с операциями над разностями находится и опре- определение сложения (я, Ь)-\-{су d)—(a-\-c, b \-d) и, как уже было отмечено выше, также и определение умножения. Число Е совпадает, очевидно, с положительной единицей. При а<^Ь разность а — Ь9 отсутствующая в области положи- положительных чисел, может быть представлена в форме пары (a, Действительно, = ЬЕ-f аЕ-\-ЬЕ=аЕ=аш Не прибегая к единичным парам Е и Е, можно тот же резуль- результат получить так а — b = (a-j-x9 x)—(b-\-x, х) = (а-\-х, л;)-|-(-х\ b-\-x) = (a, by Таким образом, введение пар делает операцию вычитания положительных чисел выполнимой и в том случае, когда умень- уменьшаемое а меньше вычитаемого Ь. Результат есть отрицатель- отрицательное ЧИСЛО , 1Л ми • ч с и (а> Ь) = — (Ь, а) = гЕ, где r=b -а. С формальной точки зрения можно сказать, что символ (а, Ь) замещает отсутствующую в системе положительных чисел раз- разность а - Ь и подчинен тем же формальным правилам сравне- сравнения и действий, что и эта разность в случае ее существования в системе положительных чисел. 2. Эта, относящаяся по существу к формальной стороне построения идея может до известной степени служить путе- путеводной нитью в установлении определений, характеризующих систему пар (а, Ь), и представляет собой частный случай общего принципа перманентности Ганкеля, о котором мы уже упо- упоминали (§ 27, п° 3). Смысл этого принципа заключается в следующем. Пусть на рассматриваемом этапе расширения понятия числа некоторое обратное действие (в нашем случае — вычитание) не всегда выполнимо в имеющейся числовой системе. Поставим требо- требование: расширить понятие числа, вводя новую категорию чисел так, чтобы 1) в новой числовой системе сохранялись основные свойства прямых действий и чтобы 2) интересующее нас обратное действие было всегда выпол- выполнимо в расширенной числовой системе. Тогда мы сможем доказать, что элементы новой числовой системы должны для соблюдения указанных требований 1) однозначно соответствовать символам, выражающим ре- результат данного обратного действия, в тех случаях, когда оно невыполнимо в прежней числовой системе, и 127
2) подчиняться тем же формальным законам действий, кото- которым, в случаях выполнимости рассматриваемого обратного действия, подчинены соответствующие символы в прежней числовой системе. В нашем случае речь должна была бы итти о действии вы- вычитания и о символах разности а - Ь. Говоря о „перманентности" (реплапеге — оставаться, сохра- сохраняться), и имеют в виду указанное сохранение основных фор- формальных законов действий. Для того чтобы подчеркнуть, что при переходе к новой числовой системе прежнее значение символа, выражающего результат обратной операции, в данном случае а Ь, должно быть расширено путем введения новых определений, как раз и целесообразно, во избежание путаницы, говорить о вновь вво- вводимых числах, как о парах (а, Ь), избегая знака а Ьш Принцип перманентности в только что приведенном истолковании позво- позволяет и в рассматриваемом случае построения системы относи- относительных чисел притти к основным определениям, которые не- необходимо установить для системы пар, если потребовать, чтобы в этой последней формальные законы прямых операций были сохранены, а символ (а, Ь) во всех случаях представлял результат действия вычитания а — Ь, так что b (a, Ь)=а. Так, например, полагая еще d (с, d) = c и требуя, чтобы в новой числовой системе сложение было однозначной опера- операцией и обладало переместительным и сочетательным свой- свойствами, найдем Ь ' (а, Ь) \ d T (с, d) = a-\ с ИЛИ b-\d (ayb) Так как, с другой стороны, должно быть b \ d \-(a [- с, b -j d) = а -\- г, то необходимо, чтобы Таким образом, определение сложения пар с необходимостью вытекает из поставленных требований. Логическая подоплека проведенного только что рассуждения заключается, очевидно, в том, что основные формальные свой- свойства обратных действии вытекают как следствие из опреде- определений этих действий как обратных соответствующим пря- прямым и из свойств этих последних. В нашем случае свойство операции вычитания, выражаемое формулой (a -Ь) + (с d) = (a с)-\Ь r вытекает как следствие из формул b -\- (а — Ь) = а и d-\~(c — d) = c и свойств операции сложения; доказательство этого утверждения мы и провели выше, используя поставлен- поставленные требования, чтобы пара (а, Ь) выражала результат вычи- .128
гания a b, a свойства операции сложения в новой числовой области были сохранены. Аналогичным путем можно показать необходимость в ука- указанном выше смысле и остальных определений в системе пар. Не следует, однако, думать, что при таком построении мы выводим или доказываем соответствующие формулы. Мы дока- доканываем только предложение: для того чтобы были выполнены такие-то и такие-то требования, необходимо принять такие-то и такие-то определения. Эти последние от этого не перестают быть определениями, содержащими в этом смысле недоказуе- недоказуемые формулы. Достаточность этих определений для достиже- достижения поставленной цели должна быть обнаружена последующим построением теории, в которой, как мы и сделали выше, дока- доказывается на основе принятых определений выполнение тех или иных законов действий. В этом „синтетическом" построении теории принцип перманентности находит свое отражение в тре- требовании, чтобы новые определения не противоречили прежним в тех случаях, когда новые числовые объекты, по определению, совпадают с прежними. Мы вернемся в дальнейшем (§ 41) к вопросу о том, какие формальные требования определяют расширение понятия числа, приводящее к системе рациональных чисел. Активная роль принципа п ^рманентности с исторической точки зрения не так уж велика. Если обобщению понятия числа в некоторых случаях и предшествовало оперирование по при- привычным законам с выражениями, не имевшими смысла в перво- первоначальной числовой области, то такое оперирование являлось лишь источником недоумений и постоянных сомнений в вопросе о том, что называть числом, а что нет. Лишь осознание конкрет- конкретного смысла новых числовых символов в их связи с изучением скалярных и иных величин одновременно со строгим формаль- формальным обоснованием соответствующих теорий устраняло указан- указанные сомнения, следы которых до сих пор сохранились в терми- терминах „иррациональный", „мнимый" и т. д., которыми первона- первоначально характеризовались новые категории чисел. 3. Некоторые формальные упрощения в изложенной выше теории пар произойдут, если допустить в качестве элемента пары число нуль. В этом случае модуль сложения представляется парой @, 0), модуль умножения- положительная единица Е-~ парой A,0), а отрицательная единица Е— парой @, 1). Всякая пара может быть представлена в форме {а, Ь) = а<1, 0) { Ь@, 1). Отождествление пар, для которых а~^>Ь, с положительными числами а — b может быть осуществлено соглашением (а, 0) = а; отсюда как следствие при а—Ь = г получаем: [а, b) = {b f г. Ь) = 9 Теоретическая арифметика—1747
Мы предпочли несколько иное изложение, при котором нуль вводится одновременно с отрицательными числами как модуль операции сложения; усложнение отдельных фбрмул искупается их большей общностью, а в проведенном только что контроль- контрольном испытании определений яснее выступает формальная связь между символом (а, Ь) и разностью а--Ь. Заметим еще следующее. После того как система относи- относительных чисел построена, можно рассматривать разности а — р относительных чисел при любых а и ,3. На основании устано- установленных нами выше свойств операций в системе пар легко дока- доказываются теперь теоремы о сравнении таких разностей, о из. сложении и перемножении, по форме аналогичные определениям установленных для пар (а, Ь). Если поэтому рассмотреть, под- подчиненные тем же законам действий пары (а, Р), элементы кото рых относительные числа, то не придем уже ни к какой новой числовой системе. ¦ § 39. Общие свойства системы относительных чисел. Группа, кольцо, поле. Резюмируем теперь основные свойства скалярной системь относительных чисел в отношении операций первой и второй ступени. В области относительных чисел: 1) Операция сложения всегда выполнима, однозначна и одно- однозначно обратима. Существует единственное относительное числ^ нуль, модуль сложения. Операция сложения обладает сочета тельным свойством. Всю совокупность этих свойств выражают, говоря, что отно- относительные числа образуют группу относительно сложения. Так как, сверх того, операция сложения коммутативна, а мно- множество всех относительных чисел — бесконечно, то мы имее^ здесь дело с коммутативной или, как говорят, с абелевой беско- бесконечной группой. 2) Если, как мы это до сих пор и делали, рассматривать лишь целочисленные элементы пар, то операция умножения всегда выполнима, однозначна, но не всегда обратима, если же обратима, то однозначно (если исключить пары, равные нулю) Существует, далее, единственное относительное число 1, модуль умножения. Операция умножения обладает свойствами переме- стительным и сочетательным. Так как операция деления не всегда выполнима, то относи- относительные числа не образуют группы относительно операции умно- умножения. Совокупность перечисленных в п. 2 свойств системы отличных от нуля относительных чисел выражают, говоря, что эта система есть бесконечная коммутативная полугруппа относи- относительно умножения, включающая единицу (модуль умножения). Система одних только положительных чисел есть полугруппа относительно операции сложения, притом не включающая модуля сложения (нуля). 3) Операция умножения дистрибутивна относительно сло- сложения. 130
Объединяя совокупность всех перечисленных свойств в отно- отношении обеих операций, говорят, что система целых (положи- (положительных и отрицательных) чисел образует коммутативное кольцо (Ring). Системы, в которых сверх перечисленных свойств имеет место однозначная обратимость операции умножения, т. е. выпол- выполнимость операции деления (за исключением деления на нуль), характеризуются терминами „числовая область", „числовое поле44 [также „корпус" (Кбгрег) и »телои]. Полученное кольцо относительных чисел необходимо допол- дополнить введением дробных чисел для того, чтобы получить число- числовое поле. Изучение числовых -систем на основании общих свойств опе- операций, подобных положенным в основу только что приведенной классификации, составляет одну из задач абстрактной алгебры, изучающей, помимо встречающихся в арифметике тривиальных числовых систем, также и значительно более общие образования со свойствами, в той или иной степени отличающимися от три- тривиальных. ч С некоторыми из таких систем, а именно с конечными груп- группами и полями нам еще придется встретиться ниже, в главе XIV. Примечание. Перечисленные свойства числового кольца (в частности и числового поля) не независимы друг от друга. Так, например, нетрудно до- дока, а ъ, что коммутативность сложения вытекает как следствие из остальных свойств числового кольца, причем даже достаточно, не требуя выполнимости операции вычитания во всех случаях, потребовать лишь, чтобы каждое пл ра- равенств а-\- Ь = а-\-с и b -\- а — с-\- а влекчо бы как следствие равенство Ь = а. По отношению к операции умножения можно не требовать при этом комму- коммутативности и ассоциативности и опираться лишь на наличие единицы (модуля умножения) и оба дустрибутивных закона (чевый и правый). Действительно, в этих предположениях мы можем написать (а + Ь) (с + d) = (а + Ъ) с + (а 4 Ь) d = ас A bc + ad + bd, {а + Ь) (с + d) = а (с + d) -f b (с + d) = ас + ad + be 4- bd9 откуда be -f- ad = ad -f- be и, при c = d= I, b -f- a = a -[- b. Гильберт (Hilbert) заметит, что, присоединяя к свойствам некомму- некоммутативного относительно умножения числового поля еще аксиомы скалярного расположения и соответствующие свойства операций: а~\- Ob -\-с при а~> b и ас> be, ca> cb при а> b и О0, можно, принимая еще аксиому Архимеда (§ 30), доказать, что и умножение должно быть коммутативным. Ограничиваясь с самого начала неотрицательными числами, заметим предва- предварительно, что для целого п а.п = аA-\- 1+.. +1) = я + я+...+я = A + !+ +l)a=/z -a. Допустим теперь, что при д;>0 и Ь>0имеет место соотношение ab—?а;>0. Тогда на основании выполнимости операции деления мы можем найти таксе с :> 0, что b ~ba. Выбирая число d так, чтобы было 0<rf<l и d<c, па основании аксиомы Архимеда найдем два целых числа т и л таких, что md ^fl^(m-f l)rf и nd<b^(n-\- \)d * 131
откуда будет следовать ab < /и/zd2 + (т + п \~l)d\ ba > tnnd- и ab — ba < {т + п + 1) d2. Но /rzd <: с, nb <Zb, a <c 1 и потому и, стало быть, ab — что противоречит исходному равенству (а -\- b + 1) с = ab ba. Поэтому должно быть ab — ba = 0 и ab = &я. Заметим, что заключение о коммутативности сложения было нами при ана- аналогичных условиях получено выше (§ 32, стр. 109). В весьма общей форме соот- соответствующие предложения относительно обеих операций будут нами попутно установлены ниже, при рассмотрении обпшх свойств ассоциативных операций v§ 68). § 40. Дробные числа как пары целых чисел. 1. Определение 1. Рациональными числами называются пары (а, Ь) целых чисел а и Ь, из которых второе — положи- положительное, определяемые заданием этих чисел в указанном по- порядке и подчиненные законам скалярного сравнения и законам действий, устанавливаемым следующими определениям и. Определение 2, Пара (a, b) ^ (с, d) соответственно тогда, когда ad" be. Следствие, Всякая пара переходит в равную ей, если оба ее элемента умножить на одно и то же положительное число, т. е. {ar, br)-=(a, Всеми такими парами (и только ими) задается, таким образом, одно и то же рациональное число, равное (а, Ь). Теорема 1. Система пар образует скалярную величину, удовлетворяющую постулатам § 25. Так, например, если (о, b)>(c, d) и (с, d)>(*,/), то ~ d^b и Умножая первое неравенство почленно на /^>0, а второе на 0, найдем adf>bcf>dbe, и так как d]>0, то л/> be, т. е. (в. Ь)>(е, /). 132
Аналогично проверяются и остальные постулаты. Установив эту теорему, мы в дальнейшем будем допускать и отрицательные (не нулевые) значения второго элемента пары, полагая притом (а, —*) = (— а, Ь). Это включается в общее определение равенства, для соотно- соотношений же ]> и <^ мы сохраним условие положительности вто- второго члена пары. Определение 3, Суммой двух пар (а, Ь) и (г, d) назы- называется пара (ad-\-bcy bd), так что, по определению {a, b)-\-(c, d) = (ad+bc, bd). В частности, a, b)-\-(c, b) = (ab + cb, ЬЬ) = (а-]-с, Ь). Теорема 2- Сумма не меняется при замене слагаемых равными им парами (операция сложения однозначна). Действительно, если (a', b') = (a, b), то a'b = b'a и потому имеет место равенство произведений (a'd + Vc) bd = (ad + be) b'd, так что (a'd + b'c3 b'd) = (ad-]-bcf bd), или (a\ *¦) + (*. Q = (aM b) + (cy d). To же верно и относительно второго слагаемого, так как верна Теорема 3. Сложение пар обладает переместительным и сочетательным свойством. Это также проверяется непосредственно. Теорема 4. В системе рациональных чисел операция вычи- вычитания, обратная операции сложения, всегда выполнима и одно- однозначна. Действительно, соотношение (с, d)-}-(x, y) = (cy + dx, dy) = (a, b) равносильно равенству (су -f- dx) b = ady или xbd=y (ad— be), а это означает, что (x, У) = (ad — be, bd) = (a, b) + (— с, d\ В частности, отсюда следует, что модуль сложения предста- представлен парами типа (а, Ь)-(а, Ь)=@, Ь), 133
которые все между собой равны. Такие нары мы будем назы- называть нулевыми ларами. Теорема 5. ' (а> Ь)Щ{с> d) в зависимости от того, будет ли разность (а,Ъ) Действительно, принимая, что Ь^>0 и d]>0, найдем, что оба эти соотношения сводятся к ad - be — 0. < Определение 4. Произведением двух пар (а, Ь) и (с, d) называется пара (ас, bd), так что, по определению (a, b)(cf d) = (ac, bd). ш Теорема 6. Произведение не меняется при замене сомно- сомножителей равными им парами (операция умножения однозначна). Действительно, если (a1, b') = (a, b) и (с\ d') = (c, d), то a'b = ab'-, c'd = d'c и, следовательно, т. с (а\ V) (с\ d') = (a!c\ b'd!) = (ac, bd) = (a, b) (c, Теорема 7. Умножение обладает свойствами перемести- переместительности, сочетательности и, кроме того, свойством распре- распределительности относительно сложения. Проведем доказательство для дистрибутивного закона [(я, ?)+(с, d)\ (e, f) = (ad+bc. bd) (e, f) = (ade + bce, bdf) = (ade, bdf) + {bee, bdf) = {ae, bf) + (ce, df) = (a, b) {e, f) + {c9 d) (e, /). Теорема 8. В системе рациональных чисел обратная умно- умножению операция деления на ненулевую пару всегда выполнима и однозначна, т. е, всяким двум парам (с, d) и (а, Ь)у где а 4- 0, соответствует система равных между собой пар (^^удовлет- (^^удовлетворяющих соотношению af b) (х, у) = (с, d). Для доказательства достаточно заметить, что написанное соотношение по определению умножения равносильно равенству (ах, by) = (cf d), 134
что эквивалентно, по определению 1, соотношению или d=y - be. Так как по условию a^/zO и d как второй элемент пары, не нуль, то ойфО и, согласно с определением 1, полученное равенство означает, что (х, y) = (cb, da). Все пары, обладающие требуемым свойством, таким образом, равны между собой и равны паре (cb, da). Обозначая операцию деления знаком „:", мы можем, стало быть, написать (с, d):(a, b) = (cb, da) = (c, d) (b, a). Пара (b, а) называется обратной по отношению к паре (а, Ь). Операция деления может быть заменена, таким образом, умножением на обратную пару. Произведение пары (а, Ь) и обратной ей (Ь, а) равно , b) (b, a) = (ab, ba). Одновременно можно написать (a, b):(a, b) = (ab, ba). Отсюда вытекает, что все пары с совпадающими первым и вторым элементами [за исключением пары @,0), которая, согласно с общим определением, в рассматриваемую систему не входит] равны между, собой (a, a) = и являются единственными парами, обладающими тем свойством, ч го умножение их на любую другую пару не изменяет этой последней (в смысле соотношения равенства). Пары типа {а, а) представляют, таким образом, модуль опе- операции умножения („единичные" пары). Теорема 9. Произведение равно нулевой паре в том и только в том случае, если один из сомножителей есть нуле- нулевая пара. Утверждение вытекает из предыдущего; впрочем и непосредственное доказательство тривиально. Из равенства (а, Ь) (с, d) = 0 следует ас = 0 и потому либо а = 0, либо, если это не так, с = 0. 2. Рассмотрим теперь вопрос о включении системы целых чисел в систему пар. Установим соглашение. Всякую пару, второй элемент которой равен 1, условимся считать равной целому числу, являющемуся первым ее элемен- элементом, так что (а, 1) = а. 13S
Отсюда будет следовать, согласно с общим определением равенства пар, что, вообще, (ab, Нетрудно проверить, что определения, установленные для пар, в частных случаях, когда пары оказываются равными целым числам, будут согласованы с определениями, установленными для этих последних. Так, соотношение (л, 1)~ F, 1) приводит к а- 1 — Ь - 1, или а Ь9 сумма (я, 1) + (#, \) — (а-\-Ь, \) = а -\- Ь, произведена (а, 1) (b, \) = {ab, \) = ab. Выполнимая в области целых чисел лишь при a = rb, где г целое число, операция деления целого числа а на целое число Ъу отличное от нуля, всегда выполнима и однозначна в обла- области пар A, i Здесь можно повторить то, что было сказано выше отбоси- тельно принципа перманентности. В настоящем случае симвот (я, Ь) замещает отсутствующее в системе целых чисел частное а\Ь и подчиняется тем же формальным правилам, что и дробь а:Ь в случаях, когда а делится нацело на Ь. 3. В полной аналогии с тем, что было сказано в § 40, из уста- нсвленных выше свойств действий в области рациональных чисел буд\т вытекать теоремы о правилах оперирования с част- частными от деления дроби а на дробь р 0. Эти правила по форме ана- аналогичны определениям, установленным для нар (я, Ь) в настоящем параграфе. Так как операция деления на число р^=0 в области рациональ- рациональных чисел всегда выполнима, то рассмотрение пар типа (а, р) не приведет нас ни к какой новой числовой системе, а соглашение установленное выше, в применении к этим парам даст нам при р^ 0 (а, Р)=а:р для любой такой пары (а, р). То обстоятельство, что при установлении свойств символа а: р мы имеем дело уже с теоремами, которые надо доказывать, в особенности важно подчеркнуть в элементарном преподавании, где совершенно сходное положение имеет место при установле- установлении основных правил действий с так называемыми алгебраи- алгебраическими дробями. Учащийся, хорошо знающий из элементарной теории дробей, что а с ас k ' = F 136
испытывает обычно некоторое недоумение по поводу того, что эти очевидные соотношения почему-то вдруг заново доказы ваются для алгебраических дробей. Недоумение это имеет своим источником психологическое субституирование (подстановку) целых положительных чисел на место букв (явление того же порядка, что и утверждение, будто —а отрицательное, а -\~а положительное число). Поэтому здесь нужно с достаточной отчет- отчетливостью указать, что содержание доказываемой буквенной фор- формулы в теории алгебраических дробей, где числитель и знаме- знаменатель могут принимать любые положительные и отрицательные значения, по существу выходит за пределы известного правила перемножения обыкновенных дробей. Целесообразно даже фор- формулировать подобного рода общие предложения не как „правила действий над дробями", а как общие законы действии. Так, на- например, можно сказать, что формула аса равносильна утверждению, что частное не изменяется, если дели- делимое и делитель умножить на одно и то же число сфО. Заметим попутно, что изложенная в § 29 операторная точка зрения, отражая в самом определении действий над дробями только что указанную сторону дела, позволяет в гораздо боль- большей мере, чем обычное изложение, сохранить для одинаковых по форме записи утверждений также и одинаковое по существу содержательное их истолкование. Соответственно с этим становится ясным и путь доказатель- доказательства. По определению r = k означает, что a = bk, а отсюда не- неоднозначности и сочетательного свойства операции умножения ас следует ac = (bc)k и, значит, т - = ?. Мы видим, таким образом.. ас а Л что соотношение , -=j: будет верно во всякой числовой системе,. для которой верны указанные только что свойства операции умножения. Вообще, свойства операций, выражаемые известными чита- читателю из курса элементарной алгебры тождествами и неравен- неравенствами, вытекают из сравнительно небольшого числа основных свойств, характеризующих скалярное числовое поле (см. § 15). Это обстоятельство, надо думать, достаточно хорошо известно читателю из элементарного курса алгебры и поэтому мы позво- позволим себе ограничиться только что приведенным примером. Как раз указанной основной ролью свойств числового поля и объясняется то, что при формальном построении всякой число- числовой системы прежде всего стараются установить, какие именно из этих свойств выполнены, а какие нет. Так мы поступали уже неоднократно (§ 8, 9, 20, 24, 36, 40) и так будем поступать и впредь в аналогичных случаях (§ 61, 72, 76, 83 и гл. XI). 137
§ 41. Система рациональных чисел как числовое поле. Система всех отличных от нуля рациональных чисел образует бесконечную коммутативную группу по отношению к операции умножения. Согласно с сказанным в § 39, свойства гистемы всех рацио- рациональных чисел в отношении обеих основных операций сложения и умножения характеризуют систему рациональных чисел как числовое поле. Система рациональных чисел играет основную роль по отно- отношению ко всем другим числовым полям, являясь, как мы это сейчас покажем, составной частью всякой числовой системы, обладающей свойствами поля и сохраняющей |для натуральных чисел обычное определение равенства (за исключением тривиаль- тривиального случая, когда система состоит из одного лишь числа нуль). Напомним еще раз, что по определению в числовом поле операции сложения и умножения всегда выполнимы, однозначны, ассоциативны и (за исключением случая деления на нуль) одно- однозначно обратимы; умножение дистрибутивно по отношению к сложению. Итак, предположим, возвращаясь к доказательству высказан- высказанного выше утверждения, что некоторое числовое поле содержит число аг/0. Тогда оно содержит, по определению, также эле мент а — а = 0, элемент а:а = 1 и, стало быть, также 1 1=2, 2+1—3,... т. е. все целые положительные числа, далее т. е. все отрицательные числа, а потому и все частные т:п т. е. все дроби с любым целым числителем и знаменателем. Другими словами, всякое числовое поле будет заключать в себе как часть систему рациональных чисел. Сохранение в данном поле обычного определения равенства для натуральных чисел, которое мы внесли в условие доказы- доказываемого предложения, обеспечивает (в силу свойств числового поля) совпадение условий равенства, имеющих место для рацио- рациональных чисел как таковых, с теми условиями, которые выте- вытекают для рациональных чисел как элементов данного поля из определений, в этом поле установленных. Если отбросить тре- требование, о котором идет речь, то может оказаться, что в дан- данном поле имеют место соотношения типа п — т для целых чисел, неравных между собой в обычном смысле, а также анало- аналогичные соотношения для дробей и заключение теоремы при- пришлось бы соответственно модифицировать. С примерами числовых полей последнего типа мы встретимся в главе XIV (§115, стр. 449). Доказанное предложение выясняет одну из весьма важных сторон осуществленного нами на данной стадии расширения понятия числа. Оно показывает, что обобщения понятия числа, 138
проведенные при построении системы рациональных чисел, необ- необходимо вытекают из требования расширить числовую систему натуральных чисел так, чтобы полученная система была число- числовым полем. Следует, однако, помнить, что эта логическая необходимость совершенно не равнозначна исторической и методологической обусловленности. Процесс обобщения понятия числа чрезвычайно тесно свя- связан с изучением скалярных и направленных величин и задачей измерения, как это и было показано выше. Внутреннее же, чисто арифметическое построение систем относительных и дробных чисел основано, как было уже указано в § 35, на том, что соот- соответствующие этим системам скалярные величины (переходы пер- первой и второй ступени) порождаются лежащей в основе арифме- арифметики исходной скалярной величиной — натуральным рядом целых положительных чисел.
ГЛАВА V. „ ОПЕРАТОРНАЯ ТЕОРИЯ ДЕЙСТВИЙ ТРЕТЬЕЙ СТУПЕНИ. § 42. Постановка вопроса. Как мы видели выше, операторная теория рациональных и действительных чисел основана на рассмотрении переходов пер- первой ступени для скалярной величины, которую образуют нату- натуральные числа. Если иметь в виду получаемые на этой основе числовые характеристики переходов, то композиции переходов первой ступени отвечает сложение отнесенных им чисел. Соот- Соответственно с этим, операторы дают ответ на вопрос, как одно такое число получается из другого путем операций разбиения на равные слагаемые и объединения равных слагаемых в одну сумму (и еще, быть может, предельного перехода, описанного с помощью понятия сечения). Такое построение операторов для чисел, характеризующих переходы, мы будем называть аддитив- аддитивным измерением этих чисел. Основой дальнейшего изложения является возможность рас- рассматривать переходы второй ступени для скалярной величины, которую образуют числа, причем операция, названная нами композицией переходов, отнюдь не истолковывается как сложение. Мы уже видели, что наряду с переходами (b, a)f соответствую- соответствующими разности Ъ — а чисел Ъ и а, можно уже для системы целых положительных чисел построить систему переходов второй сту- ступени от а к Ьу соответствующих кратному отношению b к а. С такой точки зрения мы и подошли к теории дробных чисел как пар целых чисел (ср. § 35, стр. 119 и §40). Равенство двух таких переходов (b, a) = (d, с) определяется с помощью соот- соотношения bc=ady а композиция соответствует перемножению b d характеризующих их чисел - и Если, оперируя с переходами первой ступени, мы имеем в виду аддитивное изменение величин (на столько-то и еще на столько-то, на столько же, на сколько то-то больше того-то и т. п.), то здесь, рассматривая переходы второй ступени, мы имеем в виду аналогичные мультипликативные изменения (во столько-то раз и еще во столько-то раз, во столько раз, во сколько раз то-то больше того-то и т. п.). Поясним это подробней. но
С формулами А + <*я + Р« = A f (a -f- р) а = А { аа A) (Г) где А и афО какие-либо числа, можно сопоставить оператор- операторные формулы <* + Р = о; ар = -гс. B) Соответственно с общим операторным смыслом действий над рациональными числами мы можем, переходя от записи типа B) к формулам типа A), прочесть, например, равенства так: деление на 3, умножение на 4 и последующее деление на 2 равносильно делению на 3, соединенному с удвоением; вычита- вычитание удвоенного результата утроения равносильно вычитанию ушестеренного количества и т. п. Это есть частное истолкование операторного смысла дей- действий над числами, которое может быть проиллюстрировано и на целых числах, если выбрать А и а в формулу A) и (Г) так, чтобы все операции были выполнимы. В основе этого истолкования лежат переходы первой сту- ступени, соответствующие „слагаемым" или „прибавляемым" коли- количествам аа, $а и т. д. Положительным значениям операторов отвечает присоединение, отрицательным, грубо говоря, — погаше- погашение слагаемого (вычитание), дробным— разбиение на равные слагаемые и объединение таких слагаемых в одну сумму. Как раз подчеркнутое общее значение рациональных опера- операторов как характеристик действий присоединения, погашения, разбиения и объединения (имеющее место, как мы видели в § 29 в общем случае, когда исходная операция композиции переходов не истолковывается как сложение) и лежит в основе возмож- возможности охарактеризовать с помощью рациональных операторов мультипликативную структуру чисел. Именно, заменяя операцию сложения операцией умножения, г. е. заменяя переходы первой ступени переходами второй сту- ступени, мы можем соответственно охарактеризовать операторами, грубо говоря, действия присоединения сомножителя, погашения сомножителя (деления), разбиения на равные сомножители и объединения равных сомножителей в одно произведение. Этому будет соответствовать конкретная интерпретация дроб- дробных и отрицательных показателей в формулах типа А - аа • а$ = Ааа+Р = Аа? C) И A (a°f = АаФ =А-а\ Cf) аналогичных формулам A) и (Г) и представляющим, что мы здесь особо подчеркиваем, интерпретацию тех же операторных формул B) D и ap = ic. 141
При этом, аналогично предыдущему, можни подобрать дл всякой операции B) целые числа А и а так, чтобы соотвегству ю- щие действия были выполнимы. С этой точки зрения равенства tH и( 2)('3) для операторов третьей ступени показателей — получают еле дующее истолкование; „разбиение на три равных сомножителя последующее объединение четырех таких сомножителей в одно произведение и разбиение результата на два равных сомножи- сомножителя равносильно разбиению на три равных сомножител с последующим объединением двух таких множителей в- однс произведение" и „деление на произведение двух сомножителей каждый из которых равен произведению трех равных сомножи- сомножителей, равносильно делению на произведение шести таких со множителей". Общность операторного смысла действий и составляет основу известной аналогии между действиями над радикалами и действиями над дробными числами, находящей свое выра жение в употреблении дробных показателей. ч С другой стороны, отвлекаясь от рассмотрения переходов и обращаясь к самим числам, мы можем, в случае операторов второй ступени, охарактеризовать каждое число В с помощью формулы Оператор а характеризует операцию, приводящую к числу В при начале отсчета А и единице меры а. Полагая А = 0 и а = 1 мы найдем, что оператор а отвечает здесь на вопрос о том, как число В составлено из единицы аддитивным путем, т. е. с по- помощью разбиения на равные слагаемые и объединения равных слагаемых в одну сумму. Аналогично, полагая в формуле В=А -а* A=\vl выбирая за основание а произвольное, отличное от 1 число, мы можем сказать, что оператор третьей ступени а отвечает на вопрос о том, как число В получается из числа а мультипликативным путем, т. е. путем действия разбиения на равные сомножители и объединения таких сомножителей в одно произведение. Здесь мы имеем дело, стало быть, с мультипли- мультипликативным (логарифмическим) измерением чисел, характери- характеризующим мультипликативную составленность чисел из основа- основания а. Но, с другой стороны, по отношению к переходам второй ступени, композиция которых есть умножение соответствующих чисел-, это измерение укладывается в общую схему аддитивного измерения системы переходов второй ступени, удовлетворяющей всем требованиям, наложенным в § 28 на измеряемую аддитив- аддитивную величину. Соответственно с указанным здесь смыслом one- 142
раторов. композиции переходок, как и в общем случае, отвечает сложение измеряющих переходы чисел (операторов третье! ступени). Используя эту общность операторного смысла чисел, являю- являющихся результатом измерения, мы и строим в следующем пара- параграфе теорию обычного измерения для переходов второй ступени, параллельно с этим подчеркивая мультипликативный смысл про- процесса измерения по отношению к соответствующим переходам числам. Все изложение при этом повторяет построения § 29 32 применительно к указанному конкретному истолкованию компо- композиции переходов второй ступени как умножения. Заметим, что теорию можно строить, имея в распоряжении лишь целые положительные числа в качестве элементов основной области. Однако для того, чтобы все операции были выполнимы придется потребовать расширения основной области, вводя, во всяком случае, все положительные действительные числа. Мы и будем предполагать, что это расширение произведено, не оста- останавливаясь здесь но вопросах выполнимости, подробно разобран- разобранных в главе VII. Для операторов третьей ступени, являющихся результатом мультипликативного измерения, нам придется вво- вводить действительные (рациональные и иррациональные, положи- положительные и отрицательные) числа даже в том случае, когда основ- основная область содержит лишь целые положительные числа. § 43. Операторная теория возвышения в степень с дробным показателем. 1. Итак, рассмотрим переходы (Ь, а) от одного положитель- положительного числа к другому, равенство которых определено так: (b9a) = (d9 с) в том и только в том случае, когда ad = bc. Всякому переходу (а, Ь) соответствует переход противопо- противоположного направления (Ь, а). Условимся считать переходы (а, Ь) от b ка, для которых а^>Ьу переходами положительного направ- направления. Применение перехода (Ь, а) к числу а дает в результате число Ь, так что (Ь, а) к а = Ь. Композиция переходов {с, Ь) и (Ь, а) есть, по общему опре- определению, переход (с, а). Для переходов без общего связующего звена, по общему определению композиции (стр. 91), найдем, испоаьзуя принятое нами условие равенства переходов, (с, d) к (a, b) = {ca, da) к {ad, bd) = (ac, bd). Если поэтому отнести каждому переходу (а, Ь) действительное число — дробь -г-, то равным переходам будут соответствовать равные дроби (отношения), а композиции переходов произведение чисел, отнесенных переходам. Выберем произвольный переход (а, 1), которому в только что Указанном смысле соответствует число а:1—а, за основной и будем с помощью этого перехода измерять все остальные. 143
В отличие от чисел b : а, соответствующих переходам, рав- равным (Ь, а\ мы будем строго придерживаться иной терминологии для чисел, полученных в результате измерения с помощью пере- перехода «, именно будем говорить, что эти числа измеряют соот- соответствующие переходы (Ь, а), а также измеряют (мультипли- (мультипликативно) соответствующие действительные числа — при осно- основании а. а Так, например, переходу A6, 2) соответствует число 16:2 = 8; тот же переход измеряется числом 3, если переход B,1) принят за основной, ибо A6, 2) = A6, 8) к (8, 4) к D, 2) = B, 1) к B, 1) к B, 1). Число 3 мультипликативно измеряет число 16:2 = 8 при основании а = 2. Переходы и соответствующие им числа мы б^дем в даль- дальнейшем обозначать одной и той же малой греческой буквой. Вообще, читателю следует сосредоточить основное внимание на мультипликативном измерении чисел и знак композиции „к* читать как знак умножения; соответствующие же переходы мы рассматриваем лишь для того, чтобы полностью применить общую теорию измерения главы III. Введем обозначение [л] а для результата композиции п пере- переходов, равных а. Тогда для перехода (аи, 1), которому соответ- соответствует число а" при п — целом положительном, получим <а", 1) = (оп,ап-1) к (ап~\ап^) к ... К (а, 1) = («. D К (а, 1) К...К (а, 1) = Таким образом, п есть здесь число, измеряющее (в обычном смысле слова) переход (а", 1) посредством принятого за единич- единичный перехода (а, 1) = [1](а, 1). Формула ап=[п\а как раз и выра- выражает тот факт, что для соответствующих переходам чисел мы имеем дело с мультипликативным измерением. Число п в формуле р = [я]а есть оператор третьей ступени, показывающий, что число р может быть получено из а путем объединения в одно произведение п сомножителей^ равных а (аналогично тому, как в случае обыкновенного аддитивного изме- измерения оператор п второй ступени в формуле Ь = па показывает, что b получается из а путем объединения в одну сумму п сла- слагаемых, равных а). Для того чтобы подчеркнуть этот опера- операторный смысл числа п и аналогию с § 29—32, мы сохраним обозначение [п] для показателей степени. Из этого определения непосредственно следует Теорема 1. [я] а = [п1] а тогда и только тогда, когда п = п'- Действительно, в силу монотонности операции композиции, ¦найдем, полагая здесь и в дальнейшем а^>1, что [п f- 1] а = [п] а к а > [п] а и, следовательно, при п'^>п будет и [п'\ я>[л]«. Теорема 2. [//] ([т] а) = [пт\ х. 144
Г е о р е vi а д. [п\ а к [ш\ л — [п т\ Обе эти формулы непосредственно вытекают из определения и выражают известные свойства операции возвышения в целую положительную степень. Если теперь [О мы будем писать а также и если оггерация — а выполнима. Оператор — означает, таким образом, совокупность следую- следующих действий: композиции т переходов, равных а, и последую- последующего разбиения результата ка п равных переходов или, другими ловами, если операция I — а выполнима: разбиения числа а на п равных сомножителей с последующим объединением т таки. сомножителей в одно произведение. 2. Яоследнее истолкование дает возможность установить законы действий с дробными показателями, соответствующие элементарной теории действий с радикалами на основе совер- совершенно конкретных представлений. В отличие от обычных мето- методов изложения, при которых действие извлечения корня рассмат- рассматривается исключительно как обратная операция, а соответствую- соответствующие доказательства носят характер апостериорной проверки, подчеркиваемые здесь операторные представления открывают возможность прямого истолкования смысла всякого преобразо- преобразования радикалов на каждой стадии выкладки. На методическом значении этого обстоятельства мы остановимся ниже. Гт В соответствии с указанным значением оператора можно, т . далее, считать число возникающим в результате подсчета числа (целого или, в приведенном выше смысле слова, дробного) сомножителей, равных а, из которых „состоит" числох$Л Действие логарифмирования числа р при основании а полу- получает, таким образом, также вполне конкретное истолкование и может быть охарактеризовано как мультипликативное изме- измерение. Обычно доказываемые путем апостериорной проверки свойства операции логарифмирования становятся в такой интер- интерпретации непосредственно очеппдными. 10 Теоретическая мшфмсинм—1717
Перейден теперь к законам действии с дрооными операторам;! третьей ступени I . Заметим, что мы здесь находимся в точно таком же положении, как и в § 29 при введении рациональны . чисел как операторов второй ступени. Поэтому по существу нет надобности повторять приведенные там рассуждения заноро. Однако, основной задачей § 29 было именно введение рациональ- рациональных чисел; здесь же мы будем предполагать теорию рациональ- рациональных чисел тем или г1ным способом построенной, обращая основ- основное внимание на конкретный смысл операторов третьей ступени; поэтому определениям § 29 будут здесь соответствовать дока- доказуемые теоремы. . Ill I 1 1 1 еорема la. — а= ~а тогда и только тогда, когда Доказательство непосредственно вытекает из теоремы 1. Теорема 2а. \ \а = \ Iя- 1 \_п II тл I пт\ В конкретном истолковании она очевидна: разбиение а на /// равных сомножителей и последующее разбиение каждого из них на п равных сомножителей эквивалентно разбиению о. на тп равных сомножителей. С методической точки зрения соответствующая наглядная Л/ К- ь схема, иллюстрирующая, скажем, формулу г |/ а =|/ а , именно, а \ Р> Р • Р 4 \ / 7 7 ¦ 7 7 ' 7 • 7 где з,— г- л Г ь заслуживает внимания по следующим соображениям. Обычное формальное доказательство поверкой, основанное на определении: „|/ а есть такое число, которое, будучи и т.д. вряд ли можно воспроизводить при каждом применении дока- доказанного „правила". С точки зрения этого определения смысл равенства!/ |?а=|/ а, ведь, такой: „число, которое, будучи воз- возвышено в квадрат, дает число, которое, будучи возвышено в куб, дает число *, равно числу, которое, будучи возвышено в шестую степень, дает число а". Естественно, что в мысли- мыслительном аппарате среднего учащегося такая постройка может удержаться в равновесии лишь при очень осторожном проведе- 146
доказательства, а затем заменяется механическим примене- применением правила. Это влечет за собой формальное восприятие данного отдела курса, частые ошибки и затруднения в понима- понимании очевиднейших, с точки зрения существа дэла, соотношений (даже и при значительных формальных навыках). Так, например, запомнив еще и раньше, что „при умножении показатели скла- складываются", учащийся, с точки зрения механического правила, при введении радикалов до дробных показателей может иметь 8/— склонность написать у |/ а = {/^а, или, например, V*v a = |/ra, так как неустойчивое построение, „которое, будучи" он не в состоянии воспроизводить в каждом отдельном случае, а меха- механические правила „складываются" и „перемножаются" никакими отчетливыми представлениями и эмоциями не постороннего характера друг от друга не отделяются. Указанное выше конкретное истолкование без труда воспроизводится в каждом отдельном случае и может сопровождать выкладку с самого начала обучения действиям над радикалами, схема же а 1\ I \ I \ р • р • Р /I4 -Г /Г 7-7-7 ¦ 7-7'7 7-7'7 1/ v— °/— для иллюстрации формулы у у а=у а совершенно исключает ошибки, подобные вышеприведенной. В силу этих соображений рассматриваемое нами операторное изложение операций третьей ступени, сопровождаемое указан- указанным конкретным истолкованием, заслуживает внимания с мето- методической точки зрения. От проведения аналогии с аддитивным измерением путем рассмотрения переходов при этом, разумеется, следует воздержаться. Заметим еще, что в таком изложении не следует бояться выражений типа „в произведение аг\^а число а входит множителем 2-х-раза", поскольку смысл этих выраже- выражений вполне точно определен. Формальное доказательство теоремы 2а протекает, как сбычно \nm\\ — — а = а по теореме 2. Теорема lb. 147
Как конкретное истолкование, так и формальное доказатель- доказательство протекают, на основе предыдущего, по одной и той же схеме При этом мы не обязаны считать операцию I — I а выпол- выполнимой. Так, например, имея дело лишь с целыми числами af ГЗП, Г15Т, ГП, можно все же написать -=- 4= — 4, хотя операция I ттч И = \Ъ-— ==|/4 и невыполнима в области целых чисел. Но, по определению, [][1]4 = 8=[|]4, так как [10]8 = [15L и [2]8 = = [3]4. Поэтому мы и пишем — 1= — [т], а не I — 1 = =[/гс]| — .С точки зрения методической предпочтительнее счи- считать операции выполнимыми и из двух возможных способов раз- разложения оператора -I выбирать последний. Теорема 1г. Р 1 т п р т тогда и только тогда, когда pn = mq, т. е. =- Доказательство вытекает из предыдущего, так как равенство I i— |а = | ^ \а возможно только при /7/г —/ля. Такой метод LqnJ [ nqj к г * рассуждения ближе к обычному представлению о делении на части, здесь — о разбиении на равные сомножители, нежели непосредственное доказательство на основе определения дроб- ного оператора I. Теорема За. Р \ т 1 Г ак а= L о I Y п \ L p m q \ V n \ L 0 л J Доказательство на основе того же приема и теоремы 2. р I | т - ак I т~\ I рпЛ rmql а= ~ ак - \а = n J L qn J [nq \ q I I n J L qn J [_nq = \ \[рп 4 /тг#]я= Р nq\" " L.q n a° 148
Введен е оператор \х\ противоположного направления, с отрицательными значениями х может быть произведено на любой стадии построения аналогично тому, как это было сде- сделано в главе III. ' ч В области переходов второй ступени всякому переходу (d, с) соответствует обратный переход (с, d). Все переходы (d, с) положительного направления, для которых c<^d, измеряются положительными числами, если в основание измерения положить переход а = (а, 1), где а>1. Основной переход (а, 1) от единицы к а мы измеряем числом 1, соответствует же этому переходу число а. Условимся измерять переход противоположного направления от а к единице числом—1. Это находится в согласии с опера- операторной концепцией § 29. Переход от а к 1 равен, по определению равенства перехо- переходов второй ступени („во столько же раз, во сколько.-.)» пере- переходам от ап + 1 к ап от 1 к - , от— к г и т. д. В частности, а а а* A, «)= а, \, а потому число, соответствующее в вышеприведенном смысле слова всем этим переходам,' есть а и мы можем написать в согласии с обычным определением отрицательного показателя - 1; если на — смотреть как на оператор второй ступени, то это и соответствует несколько неприятной для слуха формулировке о „погашении" множителя а. Так как композиция переходов сопровождается перемноже- перемножением соответствующих им чисел, то, полагая вообще (с, d)=> x]at коль скоро мы можем написать а* и, стало быть, вообще, дл* *юбых рациональных г аГ = [г] а. Теоремы 1, 2, 3 распространяются обычным образом и на отрицательные значения оператора третьей ступени [х]. 149
Нуль измеряет при этом „единичные" переходы (в компо- композиции с другими не меняющие этих переходов): (я, а)=(Ь, &) = ... = A, 1) = Соответствует переходам этого типа, очевидно, число 1. 4. Для иррациональных значений х определение символа [х] а таково же, как и в § 32. Именно, если р в мультипликативном [ т 1 О смысле слова несоизмеримо с а, т. е. равенство — |а = р ни при каких целых тип невозможно, то мы строим сечение (/?. /?') на основании условий Производящее это сечение действительное число х и есть тот оператор, который переводит з в р путем операции третьей ступени. Точнее говоря, по определению, мы полагаем р = [л]а. Для того чтобы убедиться, что всякий переход р этим путем однозначно может быть охарактеризован действительным числом, достаточно, как мы видели в § 31, убедиться в выполнении для рассматриваемой системы переходов аксиомы Архимеда: дли всякого перехода 7^>1 найдется при а^>1 такое целое число/7, что или, в обыкновенных обозначениях, Для доказательства этого утверждения заметим, что в силу неравенств последовательность Un=an есть возрастающая последователь- последовательность и, стало быть, либо lim Un = oo9 либо, если Un ограничена, существует конечный предел WmUn = l (см. §51). Так как в этом п —>¦ со последнем случае также lim ?/„_!—/, то из соотношения П —>¦ со = Un — \-a получаем, переходя к пределу при //—*оо, равенство /*а, невозможное при а г 1. Итак, lim Un = oo и, стало быть, любого ^ начиная с некоторого п. если только Аксиома Архимеда, таким образом, выполнена, и всякий пере- переход р, согласно § 31, однозначно может быть охарактеризован числом л:, определяемым приведенным выше сечением. В применении к настоящему случаю общие рассуждения на странице 104 принимают такую форму. Для всякого действительного числа т^>1 можно при любом п найти число т так, что 150
Тогда т п I ml L n J л т //1-1-1 и, стало быть, числа и — „мультипликативно измеряют число 7 с точностью до с избытком и с недостатком. Стало оыть, с К, — -czR. Пусть теперь также и -у =[jc]a, где л; /* it/ определяется тем же сечением (/?, /?'). Тогда п Допуская, без нарушения общности, что 8= -1, найдем, деля неравенства для у и -у крест-накрест, что при любом /г, что, согласно предыдущему, возможно лишь при 3=1 и 7=Т'- На основании приведенных в § 32 определений действий над действительными числами мы заключаем, что теоремы 1, 2, 3 имеют место и для любых действительных операторов третьей :тупени, так что 1) [х]а=[у]а тогда и только тогда, когда х=у\ 2) |*][j/]a 3) [х]а к § 44. Мультипликативное (логарифмическое) измерение. 1. Построенная в предыдущем параграфе система операто- операторов третьей ступени является по доказанному достаточной для того, чтобы представить каждое действительное число -у в форме Действительное число л, отвечающее в этом смысле на вопрос: из „скольких" множителей, равных а, составлено число 7, назы- называется, как известно, логарифмом числа -\ при основании а и обозначается знаком logaT- Основные свойства логарифмов, выражаемые формулами T, О) B) с точки зрения конкретного истолкования: мультипликативного измерения или „подсчета множителей, равных а", представляются совершенно очевидными. Формулу A) мы могли бы предвидеть 151
заранее, ибо процесс измерения приводит, как известно, к вым характеристикам, при которых композиции измеряемых переходов (в данном случае умножению соответствующих чисел отвечает сложение измеряющих переходы чисел. В несколько упрощенной формулировке соотношение A) можно прочесть так для того чтобы узнать, сколько раз я входит множителем в произведение ft» достаточно подсчитать, сколько раз а вхо- (Uim множителем в C и ?, и полученные результаты сложить Формулы перехода от одного основания логарифмов к дру- i ому в точности соответствуют формулам, связывающим межд^ собой результаты измерения одних и тех же величин различ- ьыми единицами меры. Действительно, если то 7—[-*у]з и соответственная формула 7 = l0ga ? грубо говоря, выражает следующее утверждение: чтобы под- подсчитать, сколько раз а входит множителем в 7 (в точном смысле слова, произвести указанное выше мультипликативное измере- измерение 7 с помощью а), достаточно подсчитать, из скольких мно- множителей, равных C, состоит 7, и умножить результат на число, показывающее, из скольких множителей, равных а, состоит % В простейшем случае это положение иллюстрируется схемой, указанной на странице 147. В силу тех же соображений, вполне аналогичных рассуждс ниям, устанавливающим, что отношение отрезков равно отно- отношению их глин, выраженных в одной и той же произвольной единице меры, мы можем написать равносильную предыдущей формулу (логарифм р при основании а равен отношению логарифмов р и », взятых при одном и том же третьем основании). В качестве примера того, какая степень наглядности дости- достигается при рассматриваемом истолковании операции логариф- логарифмирования как мультипликативного измерения, мы приведем еще две совершенно очеви!ные с точки зрения этого истолкования формулы и a b • log» г • logc d ¦ logd a = 1 Приближенное логарифмическое измерение может произво- производиться на тех же основаниях, что и обычное приближенное измерение. Общий метод, вытекающий из определения (стр. 150), может применяться и к частным случаям. Так, неравенство 10- 152
дает значение log10 2 с точностью до ^ 3 Пользуясь более полными таблицами степеней двух, найдем 10а)<2103, 293<103«, откуда 0,300 < log1D 2 < 0,30107. Аналогично, из приближенного равенства 819^15-106, най- 1ем, полагая Iog105p^0,7, что log,03 ^0,4771. Здесь четыре вер- верных знака. Далее, тем же путем находим 75Э?^75 • 1015 иlog,05^^0,6989; из формулы 64Эс^18-101в следует тогда log102" ^0,30103. Вы- Выкладки этого типа, состоящие из комбинированных возвышения в степень и разложения на множители, оставляя довольно боль- большой простор для изобретательности учащихся, могут служить интересным материалом для упражнений и тогда, когда поль- пользование таблицей логарифмов уже известно. 2. Однако, можно указать элементарный метод вычисления логарифмов, с точки зрения концепции мультипликативного изме- измерения совершенно очевидный и аналогичный обычному процессу измерения с помощью единицы, ее десятой, сотой и т. д. доли. Этот метод в особенности целесообразно применять для подго- подготовки к объяснению устройства таблиц десятичных логариф- логарифмов. Предварительное проведение упражнений соответствую- соответствующего типа значительно повышает сознательность в отношении учащихся к таблицам логарифмов и пользованию ими. Подход к делу может быть, например, для десятичных лога- логарифмов, такой. Подсчитав число знаков в числе N, мы тем самым опре- определяем наивысшую степень п числа 10, которая входит в N, т. е. измеряем мультипликативно N посредством 10 с точностью до единицы. Чтобы получить более точный результат, разделим (соот- (соответственно мультипликативности измерения) /V на найденную степень 10л и обозначим через М, частное N:10nf так что =10"-Л',, где 0</V1<10. Для измерения Nt нам необходимо взять более мелкую еди- единицу меры. С этой целью мы составим (последовательно извле- извлекая квадратный корень) таблицу (в операторных обозначениях): = 3,1623 ...=1/Т0 Г-1Л 10= [0,25] 10 = 1,7783.. .= 1^3,1623.77 Г-VJ ш= [0,125] 10= 1,3335... 153
|J J10 = 10,0625] 10= 1,1548 ... JLJ io= [0,0312.. .] 10= 1,0746.. LL j 10 = [0,0156...] 10 = 1,0366. [l2~8 110== I0'0078' ¦ '110 = 1'0182- ]= 1,0090. [12 110 = I0'0020' • 10 = l ' 10= I0'0010' • -110= 1.0022 Делим теперь Nu на то из чисел этой таблицы 10е, которое меньше Nl9 и частное обозначим знаком /V,, так что N=10"-10е-Л/;. Продолжая так далее, мы получим значение log10N с той степенью точности, которая выражается последней из bjhtux з показателе дробей -r^-. Вычисления совершенно элементарны и ничего, кроме умения производить операцию извлечения квадратного корня и деле- деления, не требуют. При этом, очевидно, никогда не придется делить дважды на одно и то же число таблицы, а значение логарифма получится сначала в форме систематической дроби в системе счисления с основанием 2. Для перевода в обычную десятичную дробь можно восполь- воспользоваться вторым столбцом таблицы, в котором дроби — и т. д. обращены в десятичные. Схема расположения вычислений такова |10а* =юя- ioai • ioas-ioa8 =n а , fat \ а 154
3. Еще б 1иже к структуре десятичных таблиц совершенно шалогичный прием, основанный на десятичном мультиплика- мультипликативном размельчении единицы меры (основания логарифмов). Так, например, для построения вспомогательной таблицы, дающей возможность посредством весьма простых вычислений найт!! двузначный десятичный логарифм числа, достаточно знать что и 100'01 ^1,023. Эти значения могут быть приняты учащимися на вер}, либо вычислены вышеуказанным способом. На основе их составляем вспомогательную таблицу степеней этих чисел, причем контролем могут служить соотношения 2 и 0,1 0,01 Таблица степеней чисел 10 и 10 Показатели ^vsCreneHeu Числа г - г 100' 1 1,2b 1,02 2 1,59 1 1,05 3 2,00 1,07 4 2,51 1,10 Г" О 3,16 1,12 6 3,У8 1,15 7 5,01 1,17 8 6,31 1 1,20 9 7.94 1/23 I _ Примеры расположения вычислений 1. 720|100 7,20| 6,31 631 1,1411,12 890" 1Д2 1,01 631 200 259 720яз10210°-8-100-05, log10 720^2,85. 2. 431011000 4,31 |ЗДЮ 3 98 1,08 |1,07 3300 Ь07_ 1,009 3184 0,0100 4310яа108-10'-6-101113, log10 4310 Ра 3,63. Аналогичная, значительно более пространная таблица может служить для вычисления пятизначных логарифмов путем пяти- пятикратного производства действия деления. 155
Таблица степеней чисел 10 ' и 10 ' ю ю 10 10 10 Oil 0/01 0,001 0,0001 1,25893 1,02331 1,00231 1,00023 1.00Э02 1.58489 1,04713 1,00462 1,00346 1,00004 1,99526 1,07152 1,00693 1,00069 1,00006 2,51189 1.OJ618 1,00325 1.000Э2 1,00009 3,16229 1,12232 1,01158 1,00115 1,00012 3,98107 1,14815 1,01399 1,00138 1,00014 5,01187 1,17490 1,01625 1,00161 1,00016 6,30957 1,20227 1,01859 1,03189 1,00019 7,94328 1,23027 1,02094 1,00207 1,00021 Таблицу эту могут составить сами учащиеся на основе зна- знания чисел, стоящих в первом столбце. Пример расположения вычислений при пользовании этой таблицей: 34285110000 3,428513,16229 1,(Ш18|1,07152 1,01182|1,01158 1,00024|1,00023 1 34285^104 + 0,5^-0,03 + 0,005 + 0,0001 _ JQ4,53.51O_ logI0 34285^4,53510. Вычисления эти способствуют уяснению смысла понятия логарифма и отчетливому пониманию смысла и построения таб- таблиц десятичных логарифмов. Вместе с тем фактическое производство вычислений требует не так уж много времени и основано на совершенно элемен- элементарных и ясных по идее выкладках. Нам кажется, что приведенные в этой главе методические соображения свидетельствуют о том, что в элементарном пре- преподавании должны найти себе место: 1) истолкование действия возвышения в дробную степень как применение оператора третьей ступени, заключающееся в последовательном произ- производстве операций разбиения на равные сомножители и объеди- объединения равных сомножителей, и 2) истолкование операции лога- логарифмирования как мультипликативного измерения, т. е. разы- разыскания оператора третьей ступени, показывающего, как изме- измеряемое число получается из данного путем объединения равных сомножителей и разбиения на равные сомножители. § 45. Операции высших ступеней. 1. В заключение настоящей главы мы рассмотрим само собой напрашивающийся вопрос об операциях четвертой и высших ступеней.
Операции эти сами по себе представляют -жшь весьма отно- относительный интерес как с чисто математической, так и в осо- особенности с точки зрения приложений. В этом смысле мы должны предостеречь читателя от возможных увлечений чистс фор- формальными аналогиями и обобщениями ради обобщений, харак- характеризующими, вообще, дурной математический вкус. Однако в рамках излагаемой операторной теории рассмотрение этих опе- операций представляет все же известный методологический интерес- Дело заключается в том, что в математической литературе укрепилось сделавшееся ходячим мнением совершенно ложное убеждение в том, что связь между операциями различных сту- леней исчерпывается аналогией в формальных свойствах опе- операций сложения и умножения и дальше для операций третьей ступени существенным образом видоизменяется ввиду некомму- некоммутативности прямого действия третьей ступени -— возвышения з степень (Ьафаь). Причины этого заблуждения, как мы сейчас покажем^ кроются в методологически неправильном смысловом истолко- истолковании основных операций. Операторная теория, в которой мы отличаем: 1) числовые характеристики значений скалярной вели- величины, 2) числовые характеристики переходов и 3) числовые характеристики операторов, применяемых к переходам, позво- позволяет совершенно точно установить действительный характер связи между операциями различных ступеней. Это приводит совершенно естественным образом к общей теории операций, в которой сложение и умножение с точки зрения своих фор- формальных свойств ничем не отличаются от любой другой пары операций смежных ступеней. Отсюда будет, в частности, следовать, что и к рамках чисто арифметической постановки вопроса различение смыслового значения чисел и операций над ними не является посторонним добавлением к общеизвестным формальным теориям, а дей- действительно лежит в существе дела. Именно исключительно формальная точка зрения, сопровождавшаяся совершенным обесцвечиванием смыслового значения чисел и операций над ними, и явилась источником упомянутого выше заблуждения, а также скрывала и от методистов целый ряд возможностей кон- конкретного истолкования операций третьей ступени, о которых мы только что говорили. 2. Нам придется сейчас попросить читателя вернуться к § 33 и, просмотрев проведенную там классификацию операций сло- сложения и умножения по их смысловому значению, обратить в особенности внимание на переход к третьей форме обеих операций (стр. 112 и 113 -114), в которой определению дей- действия предшествует измерение первой или второй ступени по отношению к одному или обоим аргументам операции. После этого читатель естественным образом придет к раз- различению следующих прямых действий третьей 1) Операторное возвышение в степень 157
Здесь основание а и результат р действительные числа кото рые мои но, как в § 43, рассматривать как переходы второй ступени, показатель х-—оператор третьей ступени. Смыс* равенства: применение оператора третьей ступени [х] к числу « дает в результате число р. 2) Композиция операторов третьей ступени = \у] [х]. Здесь элементы обеих частей — операторы третьей ступени. Смысл равенства: последовательное производство операций [х] и [у] равносильно применению оператора третьей ступени [г], т. е. если Р=[*]а И Т = ГО Так как, кроме того, при построении операторов, третьей ступени мы ввели новую (показательную или логарифмическую) числовую характеристику действительных чисел как переходов второй ступени так, что композиции переходов второй ступени (умножению чисел основной области) соответствует сложение в области операторов третьей ступени, то здесь мы находимся в том же положении по отношению к области переходов вто- второй ступени, в каком мы находились при построении операто- операторов второй ступени по отношению к переходам первой ступени. В силу этого композиции операций (а не переходов) соответ- соответствует и здесь умножение характеризующих эти операции чисел: формула (а*)з> = [у] [Х]а = а* = а*У и соответствует второму типу действий третьей ступени—ком- ступени—композиции двух операций третьей ступени. 3) Желая теперь ввести определение прямой операции тре- третьей ступени для того случая, когда оба аргумента операции принадлежат основной области действительных чисел — перехо- переходов второй ступени, мы поступим так же, как и в аналогичном положении для операций сложения и умножения, произведя предварительное измерение третьей ступени (мультипликатив- (мультипликативное или логарифмическое измерение) по отношению к одному или обоим аргументам операции аир. Обозначая определяемую операцию знаком [р, а], мы примем, стало быть, такое опре- определение , а] = [Ь]а = а\ где Щ есть оператор третьей ступени, измеряющий р при про- произвольном выборе основания измерения т\. Иными словами, и [р, «]= 158
Здесь мы опирались на операторное возвышение в степень (пункт 1). Словесный текст определения совершенно аналогичен приведенным на страницах 112 и 114 определениям для действии первых двух ступеней: произвести прямое действие третьей ступени над числом а и числом р значит, по определению, при- применить к а тот оператор третьей ступени, посредством кото- которого р получается из принятого за основание системы мульти- нликативного измерения числа т) (т. е. составить из а новое число „так, как" — подразумевается, с помощью операции третьей ciyneHH — из т) получается р). Другая формулировка того же определения основана на ком- композиции операций третьей ступени. Именно, мы полагаем IP, «1 - № Мч, где Р = [?]?) и a= е. a] — Г1Ьа — 7] В этой форме становятся непосредственно очевидными ком- коммутативность и ассоциативность операции [?,«], а также и распределительность этого действия относительно операции ступени на единицу низшей—умножения. Действительно, f Т] = logT|(a • Р) • log, T = (log*; а + log ^ Р) • log,, 7 = log4KT] + log1,[p так что [а • Р, Т] = [а, Т] ' IP, 3. Отсюда можно перейти дальше, к операциям четвертой ступени rt т. п.; все эти формальные обобщения включаются как частный случай в общую теорию монотонных и непрерывных ассоциативных операций, которую мы изложим в § 68, когда читатель будет уже в достаточной мере знаком с теорией дей- действительных чисел и операций над ними, составляющей пред- предмет нижеследующих глав. Заметим лишь, в заключение, что в силу сказанного выше каждая формула и каждое определение, формулированное отно- относительно операций каких-либо ступеней, допускает повышение и понижение ступеней операций на любое число единиц. Еще раз предостерегая читателя от увлечения чисто механическими аналогиями, приведем в качестве примера формулу и ее обращение /(о) ft,—о а
которое можно представить в виде ь а ' 1 Выражения этого типа, под названием логарифмических интегралов, играют известную роль в приложениях (например в теории линейных диференциальных уравнений). Отметим еще малоизвестную коммутативную и ассоциативную операцию, ступенью ниже сложения, относительно которой сло- сложение, как легко убедиться, дистрибутивно: Определенная так функция двух переменных T=/(atP) и есть очевидно, та функция от log л; и log .у, которая выражает l°g (Х-\~У) через logx и log_y. log (x+y)=fi)ogx7 logv). 4
ГЛАВА VI. ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫЕ ЧИСЛА. § 46. Постановка вопроса. Теория действительных чисел играет весьма важную роль в обосновании основных положений анализа и геометрии, а также и ряда отделов элементарной, математики (операции третьей ступени, теория пределов, свойства непрерывности геометри- геометрических образов, задача измерения в геометрии). Поэтому мы вернемся сейчас к вопросу о введении иррациональных чисел и построении системы действительных чисел, затронутому уже в § 31 и 32 главы III, и займемся прежде всего теорией Деде- кинда как наиболее простой и исторически первой логически строгой теорией иррациональных чисел. Мы будем при этом, не опираясь на изложенное в § 31 и 32 главы III, следовать в общих чертах за ходом мысли самого Дедекинда, отсылая интересующегося деталями читателя к брошюре Дедекинда „Непрерывность и иррациональные числа" (русский перевод под ред. С. О. Шатуновского). Несколько схематизируя ситуацию, постараемся поставить себя в то исходное положение, с которым пришлось иметь дело Дедекивду. Это положение таково: 1) Имеется в распоряжении в той или иной мере отчетливо построенная и не вызывающая сомнений теория рациональных чисел. 2) Наряду с этим изучаются непрерывные величины, поль- пользуются в отдельных случаях иррациональными выражениями, в анализе на каждом шагу рассматриваются величины, опреде- определяемые путем предельного перехода, и т. д. В частности, например, принимается, что монотонно воз- возрастающая переменная величина ит ограниченная сверху посто- постоянным числом, имеет предел. Читатель знает, что это же утвер- утверждение используется и в элементарной математике, скажем, при определении длины окружности, площади круга и т. д. 3) Однако, как же обосновывается хотя бы это предложение и целый ряд других подобного рода общих суждений? Прибегают (это и сейчас делается в элементарном препода- преподавании) к наглядной геометрической схеме (черт. 8), в которой значения ип истолковываются как абсциссы некоторой последо- последовательности точек Um причем произносятся фразы такого, при- 11 Теоретическая арифметика—1747 161
мерно, рода: „так как прямая „непрерывно11 заполнена точками то, „очевидно", „должна" существовать точка U, к которой точки Un неограниченно приближаются так, что lim Un=U". Далее, на основе привычной схемы измерения отрезков счи- считают, что всякой точке соответствует некоторое рациональное или иррациональное число (ее абсцисса) и, следовательно, то, что верно относительно точек прямой, верно и относительно действительных чисел, определяемых как результат измерения отрезков, так что не только lim ?/Л=?/, но и lim un = u, где и—абсцисса точки I\ Э и, V, ъ Ц, _ В 1 ii ill ¦! I HHfr——I Черт. 8. Не говоря уже о том, что используемое зде?ь определение системы действительных чисел выходит за рамки арифметики как науки о числе, такая ссылка на геометрические факты могла бы еще иметь смысл, если бы все обстояло благополучно с поня- понятием о непрерывности по отношению к точкам прямой линии. Однако, если спросить себя, на чем основана принудительность приведенной выше аргументации, имеющей целью доказать существование предела ограниченной монотонной последова- последовательности, то оказывается, что понятие „непрерывности прямой 1инии" лишено здесь логического определения (сказанное в § 34 главы III в счет не идет, так как мы рассматриваем додедекин- довскую ситуацию). Стало быть, рассматриваемая аргументация состоит не в том, что требуемое доказывают, а в том, что аппелируют к нагляд- наглядному представлению о „непрерывной заполненности прямой точками" и дальше описательных выражений этого типа и не- несколько нетерпеливых утверждений „очевидно" и „должна" дело не идет. Дедекинд поставил и разрешил возникающие в описанной ситуации задачи: 1) Зафиксировать в форме логического определения, кото- которое могло бы служить надежной основой дальнейших умоза- умозаключений, основное свойство прямой линии, заключенное в наших наглядных представлениях о непрерывной заполненности пря- прямой точками. 2) Построить независимо от геометрических представлений исключительно на основе системы рациональных чисел, как дан- данной, арифметическую теорию иррациональных чисел, так, чтобы те свойства системы действительных чисел, для обоснования которых раньше прибегали к наглядным геометрическим пред- представлениям, логически вытекали из общего определения дей- действительного числа. Решение обеих задач потребовало проведения анализа при- привычных представлений о геометрической прямой, к котором> мы и переходим. 162
§ 47. Рациональная числовая прямая. Приступая к анализу наших представлений о расположении точек на геометрической прямой, рассмотрим сначала несколько подробнее взаимоотношение между системой точек на прямей пинии и системой рациональных чисел. Выберем произвольно на прямой начало координат и еди- единицу меры и отметим сначала на прямой все „целочисленные" точки,т.е.точкк\ абсииссы кото- - - -; о , г j рых суть ц:лые ""' "* ' ' * числа 0,±i,±2 Черт. 9. и т. д. (черт. 9). Мы видим, что на прямой остаются свободные, не заполнен- заполненные целочисленными точками интервалы. Если теперь представить себе, что на прямой отмечены все „рациональные" точки, т. е. точки с рациональными абсциссами и только эти точки, то мы получим, как мы будем говорить, „рациональную числовую прямую", на которой уже не будет интервалов, целиком свободных от точек (черт. 10). Действительно, между всякими двумя рациональными чис- числами а и b молено вставить третье рациональное число хотя бы среднее арифметическое их а+Ь 2 ' Это построение можно затем повторить, и мы приходим к заключению, что в каждом рациональном интервале заклю- заключается неограниченное количество различных между собой ра- -3 -2 -/ О — / 2 з циональных чисел. Это i.; ¦ ""мв Цннпр m * Черт. 10. чисел обладает свой- свойством плотности. Однако, несмотря на то, что в любом, сколь угодно малом, рациональном интервале заключено неограниченное количество рациональных чисел, все же, как известно, рациональные точки не заполняют сплошь геометрической прямой, т. е. на послед- последней остаются еще точки, которым не соответствует никакое рациональное число. Мы приведем здесь классическое доказательство этого поло- положения, принадлежащее еще Евклиду. Теорема. На рациональной числовой прямой нет точки соответствующей концу отрезка, равного диагонали квадрата" со стороной 1, т. е. не существует рационального числа, квад- квадрат которого был бы равен 2. Доказывая это предложение от противного, допустим, что такое рациональное число найдено и, после сокращения, пред- представлено несократимой дробью 163
откуда следует, что р— число четное, т. е. р = 2п. Подставляя это значение в предыдущее равенство, получим откуда следует, что д- -число четное, т. е. q = 2tn и р _2п что противоречит предположению о несократимости дроби . Таким образом, если бы мы радиусом, равным диагонали единичного квадрата, попытались из нулевой точки, как из центра, сделать засечку на рациональной числовой прямой, то соответ- соответствующая дуга прошла бы сквозь рациональную числовую пря- прямую, не задев ни одной ее точки. Там, где на геометрической прямой помещается конец отрезка, равного диагонали единичного квадрата, на рациональной числовой прямой находится пустое, не заполненное никаким рациональным числом место. Таких пустых мест бесконечно много. Так, если брать рацио- т , . нальные части -а диагонали а единичного квадрата, то всем И/ таким отрезкам будут соответствовать пустые места на рацио- рациональной числовой прямой (если бы —d выразилось рациональ- ным числом , то а выразилось бы рациональным числом - о что, по доказанному, невозможно). То же относится вообще к отрезкам, при определении длин которых мы приходим к вы- выражениям типа 1/^3, 1^6, 6- ' и т. п., в системе рациональных чисел, не имеющих числового смысла. Если сравнивать бесконечные совокупности в отношении их мощности, то можно даже утверждать, что эти пустые места образуют множество более высокой мощности, нежели сово- совокупность рациональных чисел (см. ниже, § 82). § 48. Определение непрерывности по Дедекинду. Перейдем теперь от частных случаев к общей характери- характеристике рассматриваемого отличия геометрической прямой и ра- рациональной числовой прямой. Подчеркнем еще раз, что речь будет итти не о выводе или доказательстве, а о первичном установлении логического опре- определения, характеризующего одно из основных свойств геомет- геометрической прямой. Прежде всего отметим, что геометрическую прямую мы счи- считаем плотной, т. е. считаем, чго две различных ее точки всегда 164
ограничивают некоторый отрезок, состоящий из бесчисленного множества точек, промежуточных между данными. Это представление о плотности совокупности точек геоме- геометрической прямой выражает, другими словами, невозможчость существования двух соседних, находящихся непосредственно рядом друг с другом, но раз- различных между собой точек. —— *- — Однако свойство плотности, красно/е зелено/е как только что было отмечено, присуще и совокупности рп- ЧеРт- 1] уюнальных чисел и не в нем, ледовате.^ьно, отличие непрерывной прямой от прямой с „пу- „пустыми местами0 Проведем теперь следующий, несколько вольный по форме, но соответствующий сути дела анализ нашего представления о непрерывности прямой. Допустим, что мы закрашиваем точки 1еомгтрической прямой в два цвета — красный и зеленый — так, чтобо1: 1) все точки ока- оказались закрашенными: каждая - _ 1 в один и только один цвет Кроеные Зеленые и 2) все красные точки были ¦Черт. 12. расположены слева о г всех зе- зеленых. Если красные точки за- закрашивать движением кисти слева направо, а зеленые — справа налево, то такое встречное наслоение точек слева и справа (черт.Н) мы воспринимаем как приближение к какому-то месту стыка обоих цветов на пря- прямой. """ "~"" т-. <* красные... . .зеленые Если мы представляем себе г прямую непрерывной, сплошь ЧеРт- 13- заполненной точками, то это ^начит,^ что в месте смыкания цветов должна быть какая-то точка прямой. Эту точку можно было бы оставить незакрашенной и тогда она как раз и разграничивала бы красные и зеленые точки; если же потребовать, чтобы все без исключения точки прямой были закрашены, то эта точка должна быть либо последней (крайней правой)красной, либо , первой (крайней левой) зеленой. Красные. ..зеленые Какие случаи мы исключаем с помощью этой формулировки? «рссные. . Зеленые Во-первых, МОГЛО бы слу- случиться, что одновременно суще- Черт. Н. ствуют и последняя красная и первая зеленая точки. Однако, согласно отмеченному выше свойству плотности, это означало бы, что промежуток между этими двумя (различными, ведь) точками остался бы незакрашенным. Такая картина (черт. 12) возможна лишь для прямой, из которой вырван целый интервал промежу- промежуточных точек. Во-вторых, могло бы случиться, что нет ни последней крас- 165
нои, ни первой зеленой. Такай картина возможна длл прямий, из которой выброшен либо целый отрезок, включая концр, либо по крайней мере одна точка, как раз та, о которой шла речь выше как о месте стыка обоих цветов (черт. 13). Мы приходим, таким образом, к заключению, что нашим пред- представлениям о сплошном заполнении геометрической прямой точ- точками соответствуют лишь случаи существования крайней точки в одном и только одном из двух рассматриваемых классов точек — в левом классе красных или правом классе — зеленых точек (черт. 14). Следуя Дедекинду, мы примем определения. Определение 1. Сечением (А, А) (или, как теперь гово- говорят, дедекиндовым сечением) системы точек на прямой линии называется такое разбиение всех точек системы на два класса нижний (левый) А и верхний (правый) А', при которомт 1) каждая точка системы отнесена к одному и только одному из этих двух классов, и 2) все точки нижнего класса А расположены слева от то- точек верхнего класса А', Это определение может относиться не только к системе всех точек геометрической прямой, но и к системе значений других скалярных величин, в частности, к системе рациональных чисел. В общем случае термины „слева" и „справа" означают два про- противоположных отношения скалярного расположения §27 главы III (для системы рациональных чисел — отношения „меньше0 и „больше"). Имея в виду это обобщение, мы установим Определение 2. Скалярная величина называется непре- непрерывной, если при всяком сечении, в ней произведенном, суще- существует крайний элемент в одном и только одном из двух классов сечения. Этот элемент называется элементом, производящим сечение. Можно, таким образом, сказать, что свойство непрерывности характеризует полноту или замкнутость рассматриваемой системы по отношению к операции образования сечений. Мы принимаем, в частности, за определение непрерывности геометрической прямой отмеченное выше наличие крайней точки в одном и только одном из классов при разбиении всех точек прямой на два класса так, что все точки одного класса распо- расположены левее всех точек другого. В системе аксиом геометрии это или эквивалентное этому предложение должно быть принято в качестве одного из основ- основных постулатов, служащих логическим определением прямой .линии, а также и других, более общих протяженностей § 49. Отсутствие непрерывности в системе рациональных чисел. Числовая прямая рациональных чисел не обладает непре- рывлостыо в только что определенном смысле этого слова. Докажем это, основываясь на теореме § 47. 160
Разобьем все рациональные числа на цва класса: левый, включающий все числа, квадрат которых меньше 2, и правый, включающий все числа, квадрат которых больше 2. Так как числа, квадрат которого был бы равен 2, в системе рациональных чисел не существует, то этим разбиты на два класса все без исключения рациональные числа. И так как при- притом все числа левого класса меньше всех чисел правого класса, то мы имеем дело с дедекиндовым сечением области рацио- рациональных чисел. Однако свойство непрерывности здесь нарушено: в левом классе нет наибольшего, а в правом — наименьшего (рациональ- (рационального, само собой разумеется, ибо только о рациональных чис- числах и идет речь) числа. Это утверждение» нетрудно доказать (ограничиваясь, есте- естественно, рассмотрением положительных рациональных чисел). » Пусть г—какое-нибудь число левого класса, так что и 2 — f = есть положительное число. Покажем,'что можно выбрать рациональное число е^>0 так, чтобы все еще было (г ' 0 т. е. чтобы число г J-e, большее г, принадлежало тому же левому классу. С этой целью подберем е так, чтобы выполнялось не- неравенство (г-ИJ = г" + 2ге , что то же, неравенство Взяв е<^1, будем иметь Bг+е)е<Bг+1)е и, стало быть, накладывая на е еще добавочное условие мы удовлетворим требованию Итак, справа от всякого числа г левого класса найдется всегда еще число г-|^? левого класса, т. е. крайнего, наиболь- наибольшего числа в левом классе Аналогично, при имеем г* — 2^>0 и потому требованию (Г — е)« = Г2 — 167
можно удовлетворить, полагая #• — 2ге>2, или . - „ Стало быть, и в правом классе нет крайнего, наименьшего числа, т. е. вообще в системе рациональных чисел нет числа, производящего рассматриваемое сечение рациональных чисел на два класса. Таким образом, обнаруженное выше на примере отрезка, рав- равного диагонали единичного квадрата, расхождение между систе- системой точек геометрической прямой и системой рациональных чисел укладывается в общую схему, основанную на дедекиндов- ском определении непрерывности: пустые места в системе ра- рациональных чисел характеризуются сечениями этой системы, ни в одном из классов которых нет крайнего элемента. Соответственно с только что сказанным, задача построения арифметической теории действительных чисел (§ 46) может быть формулирована, как требование заполнить все свободные места в системе рациональных чисел, обнаруживающиеся при производстве сечений в этой системе, новыми Числами так, чтобы расширенная этим путем числовая система обл "дала свойством непрерывности. Это и осуществляется введением иррациональных чисел. § 50. Введение иррациональных чисел. Непрерывность системы действительных чисел. 1. Определение 1. Каждое сечение {А, А') в системе рацио- рациональных чисел, которое не производится никаким рациональ- рациональным числом (т. е. такое, что ни в одном из двух классов А и А' нет крайнего элемента), определяет иррациональное число а, которое больше каждого рационального числа г нижнего класса сечения и меньше каждого рационального числа г верхнего класса, так чтоу по определению, г<а<г', A) если razA и Про иррациональное число ее мы будем говорить, что оно производит сечение (Л, А'). Объединяя в одно оба случая, когда сечение производится рациональным и иррациональным числом, мы можем, стало быть, сказать, что в области рациональных чисел всякое сечение про- производится числом (рациональным или иррациональным). Мы можем, таким образом, установить общее определение действительного числа, объединяя в одно понятие рациональ- рациональные и иррациональные числа и называя действительным (ее- щественным) числом всякое число, определяемое сечением в областч рациональных чисел и производящее это сечение. 1G8
Определение 2. Два иррациональных числа а и р, опре- определенные соответственно сечениями (А, А') и {В, В'), назы ваются равными, если классы А и В, а стало быть, и классы А' и В' совпадают. Если же классы А и В не совпадают, fi I ^ ^_ то числа а и р называются J различными или неравными. и притом говорят, что в h l В а>Р> Черт. 15. , если в классе А есть хоть одно (рациональное, разумеется) число, которого нет в классе В (черт. 15) и, соответственно, если в классе В есть хоть одно число, которого нет в классе А (черт. 16). ^ . а д В силу этих определений ¦ ' 1 система действительных чи- г сел образует, как нетрудно 1—\ —, убедиться, скалярную вели- & чину, для которой удовлетво- Черт- 1б. рены постулаты § 25. Примечание. Можно было бы, впрочем, поступить и иначе, введя ераiy определение равенства и нерагенства д!я действительных чисел. При ~том, однако, нужно было бы исключить из рассмотрения крайние этементы классов, гак как в сечениях, определяющих одно и то же рациональное чисто, это чисао может быть отнесено как к нижнему, так и к верхнему классу. Текст соответ- соответствующих определений читатель найдет в § 32. Из самого определения неравенства двух иррациональных чисел вытекаетг что между двумя различными действитеэьными числами можно лстасить по » крайней мере одно, а следовательно (так как в классах сечений, определяю- определяющих иррациональные числа, нет крайних чисел), и бесчисленное множество рациональных чисел. Отсюда, в частности, следует, что дейстьительные числа образуют систему, обладающую свойством плотности. 2. Из приведенных выше определений вытекает возможность построить рациональные приближения всякого иррационального числа «, заданного сечением (Л, Л'), с недостатком и с избытком с любой степенью точности. Точнее говоря, при любой заданной наперед мере точности , можно для данного иррационального числа а указать два рациональных числа г* и г, принадлежащих различным классам, так что Г<а<г\ и отличающихся друг от друга не больше, чем на е, так что Нахождение таких пар чисел может быть осуществлено раз- различными способами. Можно, например, исходя из произвольно взятых в классах 169
А и А рациональных чисел г0 и г0, разделить разность г0 — rb = d на такое целое число п, чтобы было — d ^- п Для этого достаточно взять п^>--. Тогда в системе конечного числа чисел мы сможем найти наибольшее принадлежащее классу .4, и следующее за ним наименьшее, принадлежащее уже классу А'. Разность г—r=k будет по построению меньше е. Если, в частности, за г0 выбрать наибольшее целое число Лг0 класса А% а за г0' число Nb-r-\czA' и затем разделить раз- разность г0"—Г(,= 1 на 10 равных частей, то мы придем к числам типа o принадлежащим различным классам и отличающимся друг от 1 друга на —. Продолжая этот процесс далее, т. е. деля интервал (г,, г,1) вновь на 10 частей и т. д., мы придем к последовательностям чисел типа Vi^ /У- „ г _v '1 „ г v 10'1 10 10" 10" ' причем /-„<«</•; 1 п Юп . Целое число No и последовательность чисел /V,, , ... определяют так называемое разложение иррациональ- иррационального числа а в бесконечную десятичную дробь. Приведенное рассуждение показывает, что, опираясь на закон, определяющий классы сечения (Л, А'), с помощью которого за- задано иррациональное число «, мы имеем принципиальную воз- возможность найти сколько угодно чисел десятичного разложения иррационального числа а. 170
Так, например, отнеся к классу А все рациональные числа, квадрат которых меньше 2, а к классу А'— остальные числа, мы найдем сначала 7VO = 1, 7V0-{-l=^2. Возвышая числа 1,1; 1,2; 1,3; ... ; 1,9 в квадрат и сравнивая с двойкой, найдем: /V, —4; /V,-j-l=5 и, аналогично, N9=l; /V3 = 4. Цифры дроби 1,414 совпадают здесь с первыми цифрами известного разложения числа j/12 в десятичную дробь. При одной и той же степени сближения между собой чисел гиг' число испытываемых чисел будет в общем случае наимень- наименьшим, если вместо деления на произвольное число п или, в част- частности, на 10 равных частей, применять деление исходного про- промежутка. r0, rn' пополам. При ro = 7V0, ro' = 7V0-f- 1 это приведет к разложению в бесконечную систематическую дробь с основа- основанием системы счисления, равным 2, Испытанию на принадлежность к классу А или А' придется на каждой стадии процесса подвергать среднее арифметическое между полученными до того числами г и iJ различных классов, причем разность между приближениями с избытком и с недо- недостатком уменьшается вдвое. После п испытаний мы будем иметь d ' п ' п суп > г. е. сравнительно высокую степень точности. Экономичность такого приема иногда бывает существенно учитывать на практике. Так, если все точки провода, исследуе- исследуемого на наличие разрыва, в равной мере доступны, то выгодно испытать среднюю точку на присутствие тока и, определив этим путем, в какой половине разрыв, перейти к средней точке этой половины и т. д. Аналогичные соображения могут играть роль и в практике приближенных вычислений. Как мы увидмм ниже (§ 59), доказанное здесь предложение допускает обращение: знание приближенных значений иррацио- иррационального числа с любой степенью точности достаточно для его определения (т. е. для построения соответствующего сечения). Это обстоятельство играет чрезвычайно важною роль для уста- установления связи между теорией Дедекинда и другими методами введения иррациональных чисел (ср. § 60 и § 70—77). 3. Ограничиваясь пока только что приведенными указаниями на связь дедекиндовского определения иррациональных чисел и привычной читателю схемой разложения иррациональных чи- чисел в бесконечные десятичные дроби, вернемся к нашей основ- основной задаче, формулированной в конце предыдущего параграфа. Докажем основное предложение о том, что новая, расширен- расширенная но сравнению с системой рациональных чисел система дей- действительных чисел, обладает сверх того интересующим нас свой- свойством непрерывности. Теорема. Всякое сечение системы действительных чисел производится некоторым действительным числом, рациональ- рациональным или иррациональным. 171
Подчеркнем необходимость доказательства этой теоремы. Читателю может на первый взгляд показаться, что доказы- доказывать нечего. Ведь всякое сечение системы рациональных чисел, которое не производится рациональным числом, определяет не- некоторое иррациональное число. Что же еще доказывать? А вот что. Иррациональные числа заполняют пустые места в системе рациональных чисел, а нас сейчас интересует система всех дей- действительных чксел, рациональных и иррациональных. В этой системе мы производим сечения (о чем до введения иррацио- иррациональных чисел вообще не могло быть и речи) и надо доказать (правда, это уже совсем просто), что эти новые сечения в новой числовой области не обнаружат уже свойств разрывности и не потребуют вновь введения еще каких-то чисел для заполнения соответствующих пустых мест в системе действительных чисел. Это и будет означать, что в отношении операции образова- образования сечений система действительных чисел обладает требуемой полнотой или замкнутостью. Итак, допустим, что в системе действительных чисел про- произведено сечение Нам надо доказать, что при этом имеет место одно из дву .: либо в нижнем классе а найдется наибольшее, либо в верхнем классе а' наименьшее действительное число. * В сечении (а, а') на два класса разбиты все действительны^ числа. Рассмотрим, в частности, совокупность А всех рациональ- рациональных чисел, входящих в левый класс сечения (а, а'), и совокуп- совокупность А' всех рациональных чисел, входящих в правый класс сечения (а, а'). Так как всякое рациональное число обязано заключаться либо в а, либо в а1 и так как все числа в классе а меньше всех чисел класса а', то совокупности А и А' можно рассматривать соответственно как нижний и верхний классы не- некоторого сечения (А А'), произведенного в системе рациональных чисел. Согласно сказанному на странице 168, это сечение произво- производится некоторым рациональным или иррациональным действи- действительным числом у. Докажем, что именно это число и производит исходное се- сечение (а, а') области действительных чисел. Для этого достаточно обнаружить, что всякое число а, мень- меньшее у, принадлежит к а, а всякое число р, большее у, к а. Так вот, пусть Как в том случае, когда а и у рациональные, так и в том случае, когда одно или оба эти числа иррациональные, мы мо жем вставить между а и у рациональное число г так, что 172
Jro рациональное число г, будучи меньше у, принадлежит, согласно определению y» к "классу Л, а, стало быть, так как Acza, к классу а исходного сечения. К тому же классу должно поэтому принадлежать и меньшее г число а, т. е. а czn. Аналогично докажется, что всякое число р, большее у, вхо- входит в а'. Относительно самого числа у в общем случае можно утвер- утверждать лишь, что оно принадлежит либо классу а, либо классу а'; но, согласно доказанному, в обоих случаях оно будет край- ним в соответствующем классе, т. е. будет числом, производя- производящим сечение (а, а'). Доказанная теорема, обнаруживающая непрерывность постро- построенной на основе системы рациональных чисел, т. е. арифмети- арифметическим путем, совокупности всех действительных чисел, нося- носящей соответственно этому название континуума (continuus — непрерывный), позволяет, как мы это увидим ниже, обосновать общие предюжения арифметики и анализа, не прибегая уже к расплывчатым наглядным представлениям о непрерыв- непрерывных величинах геометриче- геометрического (и другого) происхо- , ждения (ср. § 46). / / R Однако из методических Л ц ?-j_- соображений можно позво- позволить себе пользоваться как в формулировке свойства непрерывности, так и в его Черт. 17. приложениях геометриче- геометрической и даже механической терминологией, имея при этом в виду лишь фиксируемое только что доказанной теоремой арифмети- арифметическое содержание соответствующих утверждений. Так, в ряде случаев следующая формулировка теоремы о не- непрерывности может несколько облегчить ее применение, Пусть точка и движется по числовой прямой действитель- действительных чисел от некоторой точки а вправо (или влево), оЭладая некоторым свойством Е так, что, раз потеряв это свойство, точка и вновь его не приобретает (черт. 17). Тогда должно су- существовать либо последнее положение точки н, в котором она еще обладает свойством Е, либо первое, в котором она уже свойством Е не обладает. Это „критическое" значение и=ч характеризуется, таким образом (при движении вправо), тем, что точки и = а, сколь угодно близкие к у, но находящиеся слева от у, свойством Е обладают (верхний флажок на чертеже), а точки и = р, сколь угодно близкие к у, но расположенные справа от y, свойством Е не обладают (опущенный флажок на чертеже). Для любого „критического" интервала (а, C), заключающего точку у, мы имеем, стало быть, противоположное расположение флажков на концах. 173
Эта формулировка эквивалентна утверждению теоремы о не- непрерывности. Критическое число у определяется, очевидно, сече нием, в котором к левому классу, кроме чисел, меньших а, отне- отнесены все значения д = а, для которых свойство ? имеет место, а к правому классу — все остальные числа, В силу условия о не- невозвращении свойства Е все числа правого класса действительно больше всех чисел левого. Заметим, что, вообще, сечение часто определяется непосред- непосредственным заданием лишь одного из своих классов, причем ко второму относят все числа, не вошедшие в первый. § 51. Теорема об ограниченных монотонных последовательно- последовательностях. Точные границы ограниченного множества. 1. Для того чтобы убедиться воочию в том, что теорема о непрерывности действительно позволяет дать строгое логиче- логическое доказательство для целого ряда теорем, уверенность в спра- справедливости которых имела своим первоначальным источником наглядные геометрические представления, приведем здесь неко- некоторые из таких доказательств, В интересующем нас отношении в особенности характерна теорема, дока- доказываемая нами в § 52. Материалом § 51 нам придется виспотьзоваться в даль- дальнейшем. Что же касается § 53—?56 включительно, то читатель, для которого изложение окажется трудным, может при первом чтении эти параграфы про- пропустить и приступить непосредственно к § 58, который можно рассматривать как продолжение начатых в § ?0 построений, относящихся к теории действи- действительных чисел. Теорема. Всякая монотонно-возрастающая ограниченная последовательность имеет предел. Дано, стало быть, что при /г = 1, 2, 3, .. где В—некоторое постоянное число. Требуется доказать существование действительного являющегося пределом ип при п-+оош Приведем сначала доказательство, не опираясь на теорему о непрерывности и придерживаясь рамок арифметической тео- теории Дедекинда. В этой последней доказать существование ка- какого-либо действительного числа значит постро тгь сечение обла- области рациональных чисел, определяющее это число. В условиях доказываемой теоремы мы построим нужное сечение (А, Л'), отнеся к классу А' все рациональные числа г\ обладающие тем же свойством, что и число В> т. е. такие, что «л^^ ПРИ любом п9 (?¦» а к классу А — все остальные числа г, т. е. такие, Ч7О г<^иП1 хотя бы для одного пи а, стало быть, по свойству A) г<^ип при п^п1щ D) 174
Определяемое сечением (Л, Л) действительное число у и есть предел последовательности ип. В самом деле, пусть дан любой рациональный интервал (г, г\ заключающий внутри себя значение у. Тогда, начиная с некоторого пи в силу свойства D) чисел г левого класса А9 мы будем иметь, учитывая одновременно и C> г<Сип г§ ПРИ п~ ni- А как раз это свойство членов последовательности зак. ю чаться, начиная с некоторого п, в любой (сколь угодно тесной) окрестности числа 7 по определению предела и означает, что со Мы ограничились рассмотрением окрестностей у типа (г, г ), где г и г' —рациональные числа, так как во всяком интервале («, [2) при я<Ст<СР заключен рациональный интервал этого типа. Опираясь на теорему непрерывности, мы могли бы с самого начала говорить о сечении, произведенном в системе всех дей- действительных чисел, и тогда последнее замечание было бы излиш- излишним. В этой форме доказательство было бы, как нетрудно убе- убедиться, эквивалентно рассуждению, использующему указанную выше схему движущейся справа налево, начиная от значения В, точки и с сохранением такого свойства ?: все ип меньше и. Критическая точка -у в таком движении и есть, очевидно искомый предел, так как во всяком критическом интервале a <Л<СР слева от у найдется хоть одно иПх^ * и потому все uni начиная с п = п}, попадут в окрестность (а, р) числа 7- 2j Аналогичное рассуждение доказывает известную теорему о существовании точной верхней и точной нижней границы всякого множества чисел z, принадлежащих конечному интер- интервалу (А, В), так что Рассматривая в этих условиях движение переменной точки п% обладающей свойством 2: и <^ всех начиная от значения и = А вправо, мы найдем, что критическая точка 7i B этом движении будет либо последней точкой, для которой еще либо первой, для которой это условие не выполнено и для кото- которой, стало быть, у, — одному из z, В обоих случаях число 7i называется точной нижней (левой) границей множества z. 175
В первом случае fi не принадлежит множеству г, во втором принадлежит, В обоих случаях для любого числа У, большего у, найдутся такие z\ которые меньше У, т. е. лежат в интер- интервале (-,, 7) Можно также сказать, что проведенное построение опреде- определяет 7i как наибольшее число, не превышающее ни одного ш элементов множества z. Теорема непрерывности, которую мк здесь использовали, доказывает существование такого числа в самом общем случае. Предоставляем читателю построить (ло- (логически определить) соответствующее сечение. Определив аналогично точную верхнюю границу y2, мы най- найдем, таким образом, что в неравенствах оде знак = может и не иметь места) 1раницы 7i и Т* уже не могут быть сближены. Для усмотрения того, что точные границы множества могут и не достигаться G|<Свсех z\ достаточно рассмотреть пример множества z всех положительных правильных дробей. Здесь Ti=O; т2 = 1 и притом TiO<7q. Понятие о точных границах множества играет чрезвычайно .важную роль в математическом анализе. § 52. Теорема о промежуточных значениях непрерывкой функции. Докажем теперь теорему, выражающую одно из „очевидных" сьойств непрерывных функций, а именно: Непрерывная функция не может перейти от одного своего зн тения к другому, не проходя по дороге через все промежу- промежуточные значения. Напомним обычное определение непрерывной функции. Функция f{x) непрерывна при х = аЛ если limf\x)—f(a). x-*a Э j соотношение можно перевести на язык неравенств еле дующим образом. Какой бы {„сколь угодно11 тесный) интервал (А, В)у заклю- ающип внутри себя значение f(a), так что ни был задан, всегда можно указать соответствующую („доста- („достаточно* узкую) окрестность (с, d) числа а такую, что при вся- всяком х, лежащем в этой окрестности, т. е. при значения f(x) наверно будут попадать в заданную окрестность (А, В) числа f(a), т.. е. будет 176
Пользуясь этим, мы можем установить нужное для дальней- дальнейшего, да и само по себе имеющее многочисленные приложения вспомогательное предложение. Лемма. Если f(x) непрерывна при х = а и /(а)фО, то моэюно указать окрестность (г, d) числа а, в которой функция f(x) сохраняет, знак числа f(a). Для доказательства допустим, что /(я)^>0, и выберем, что всегда возможно, два числа А и В так, чтобы было 0< А </(«)< В. Подобрав тогда соответствующую интервалу (А, В), согласно сказанному выше, окрестность (с, d) числа а, найдем, что при наверное 0<Л </(*)<?*, т. е. во всяком случае f(x)>0, что и требовалось доказать. Для доказательства теоремы о промежуточных значениях достаточно будет убедиться в том, что непрерывная функция не может перейти от отрицательных значений к положитель- положительным, не принимая при этом значения нуль. Действительно, если это будет доказано, то при в интервале (а, Ь) должно найтись значение х = у, для которого непрерывная одновременно с f(x) функция F(x)=f(x) — имеющая отрицательное значение F (а) =/(«)-С при х=а и положительное значение при х = Ь, должна обратиться в нуль при некотором х — у, так что При х = y функция f(x) будет, таким образом, принимать заданное промежуточное между /(а) и f(b) значение fit)= Итак, достаточно доказать, что верна Теорема. Непрерывная функция, принимающая на концах некоторого интервала {а, Ь) значения разных знаков, должна обратиться в нуль по крайней мере для одного значения х внутри интервала (а, Ь). 12 Теоре гическая арифметика—1747 177
Если опираться на наглядные геометрические представления о непрерывной линии, уравнение которой есть ^=/(л;) (черт. 18), то текст теоремы делается „очевидным". Кривая „должна* где' то пересекать ось X. Эта геометрическая очевидность и явилась основой уверен- уверенности в справедливости высказанного утверждения, носящего, однако, по самому смыслу своему, аналитический характер. Замечая, что в суждении об „очевидности" мы существенным образом опираемся на представление об отсутствии „пустых мест" (§ 49), можно Y заранее сказать, что строгое аналитике- ск е доказательство теоремы невозмож- невозможно вне соответству- соответствуют, й теории ирра- иррациональных чисел. Мы дадИхМ два ва- варианта доказатель- доказательства. Первый метод эквивалентен по- X строение сечения, определяющего ис- искомую точку y» Для которой /(т) = 0, и напрашивается сам собой, если попы- попытаться приме жть Черт. 18. схе iy движущейся точчи и. За свой- свойство ? следует принять такое: все значения / (х) в замкнутом интервале , ч F {а, и) имеют тот же знак, что и число /(я). Дойти с сохранением этого свойства до точки b точка и не может. Стало быть, существует крити-еская точка х — -?, в любой окрестности которой найдутся как значения f{x) того же знака, что и f(a) (при -*;<^л), так и значения f{x) противоположного зна^а или равные ну но [по крайней меое для некоторых сколь угодно блп ких к 7 значений х, лежащих справа от у, условие: /(*) того жз злака, что и /(я), не выполняется]. Согласно доказанной выше лемме, это возможно только в том случае, когда Легко "и ,еть, что этот " *тод док гательства приводит нас к первому слева (наименьшему) корню уравнения f(x) = 178
Несмотря на то, что это доказательство преследует теоре- теоретическую цель и принадлежит к типу так называемых доказа- доказательств существования (Existenzbeweis), не имеющих в вицу методов эффективного нахождения искомого объекта в конкрет- конкретных случаях, его можно дополнить конструкцией, пригодной для приближенного нахождения корня уравнения f(x) = O С помощью так называемого метода деления промежутка. Заменим непрерывное движение точки и скачкообразным, т. е. рассмотрим ряд точек (черт, 19), получающихся хотя бы при делении (а, Ь) на п равных частей. 6 а> 0? Ont о Так как в ряду чисел I ¦ i i* ¦ I Черт. 19. крайние им'еют разные знаки, то либо одно из промежуточных чисел равло нулю и тогда корень найден, либо по крайней мере одна пара смежных значений имеет разные знака и тогда один из корней уравнения /(х) = О заключен между" т. е. определен (при делении на п равных частей) с точностью до _ Если мы умеем определить знак функции f(x) для каждого фиксированного значения аргумента, то с помощью указанного построения мы можем ¦ определить значение корня с любой наперед задгнноч степенью точности. Д1я уменьшения числа испытаний, а также в теоретических рассуждениях целесообразно делить каждый раз промежуток пополам. % Опираясь на теорему о монотонных послеювательностях, м.жпо таким путем получить второе, независимое от предыду- предыдущего доказательство теоремы. Проведем это доказательство. Запишем условие теоремы в такой форме- а-\~Ь -, Разделим интервал (at b) пополам и положим с=—-—. Так как то по крайней мере одно из произведений в квадратных скоб- скобках имеет отрицательный знак. О означим это произведение ' - >ез /(^i)-/(#i), полагая, стало быть, либо а1^=а, bl = ci либо t=b. Мы будем иметь 179
Поступая аналогично с интервалом (а,, Ь{) и продолжая про- процесс далее, мы построим две последовательности чисел причем . b-—а 1>п — ап = - В силу последнего соотношения существующие (по теореме § 51, стр. .174) пределы монотонных и ограниченных последова- последовательностей ап и Ьп равны между собой, так что lim ап = lim bn = 7. Вспоминая, что, переходя в неравенстве /(*„)•/(*«)< о к пределу, мы обязаны ослабить знак неравенства, найдем, по определению непрерывной функции, л-»оо \f(an) • /(?„)] =/(lim а„) -/(Ит Ь„)= что возможно лишь при /(у) = Если не желать пользоваться соображениями о предельном переходе в неравенствах, то можно притти к тому же результат}, применяя, как и в первом методе, доказанную выше лемму. § 53. Метод конечного покрытия и метод деления промежутка. 1. В доказательстве теорем, подобных только что рассмот- рассмотренной, весьма легко сделать одну логическую ошибку, не явля- являющуюся, однако, ошибкой в отношении фактического положе- положения вещей и потому сравнительно трудно обнаруживаемую. После того как лемма § 52 доказана, само собой напраши- напрашивается такой ход рассуждений. Будем доказывать теорему, обратно противоположную тео- теореме § 52 и, следовательно, равносильную ей. Пусть fix) в интервале (а, Ь) нигде не обращается в нуль. Докажем, что в этом случае f(x) сохраняет знак числа fifl) во всем интервале (а, Ь). Действительно, по лемме, в достаточно малой окрестности каждой точки интервала функция/(х) должна сохранять знак. Построим на этом основании такую окрестность (а, а,) точки а, в которой (включая и значение х=а^) функция f(x) сохра- сохраняет знак числа f(a) (неравного нулю по условию). Затем, вновь применяя лемму, построим аналогичную окрестность (аи я2) Д^я точки аЛ и т. д. На л-ой стадии процесса мы можем, объединяя все малые интервалы в один, утверждать, что в интервале (а, ап) функция сохраняет знак числа /(я). Так как, по допуЩ^" нию, в достаточно малой окрестности каждой точки интервала функция f{x) сохраняет знак, то „в конце концов" мы „дойдем 180
до точки о и наша обратно-противоположная теорема (а с ней и теорема § 54) будет доказана. В этом рассуждении кроется логическая ошибка, замаскиро- замаскированная словами „в конце концов дойдем", поскольку в последнее утверждение вкладывается тот смысл, что, применяя построение конечное число раз, мы перекроем весь интервал (а, Ь) конеч- конечным числом интервалов типа (ai9 я|+1), в каждом из которых/(л:) сохраняет знак- Однако утверждение о том, что мы добе- доберемся до точки b путем конечного числа шагов указанного типа в проведенном ходе рассуждения ниоткуда не следует, хотя, как мы ниже покажем, это утверждение по существу правильно и его можно, несколько уточнив формулировку, до- доказать. А в том, что дело обстоит не так уж просто, можно убедиться, замечая следующее. A priori не исключена, ведь, возможность того, что длина интервалов (а, а,), (а,, я2), ... уменьшается с каждым шагом, например в геометрической прогрессии, так, что (вспомним Ахиллеса и черепаху) длина интервала (я, а„) при всяком п остается меньше хотя бы —— , в силу чего никакое ап не может превзойти числа Найдя даже предел 1\тап — а' при этом условии и перешагнув через а' с помощью леммы, мы не решаем вопроса, ибо он сей- сейчас же возникает вновь в той же форме. Это затруднение иногда пытаются обойти следующим обра- образом. Каждой точке х интервала по лемме соответствует неко- некоторая ее окрестность, в которой f(x) сохраняет знак. Обозна- Обозначим через й наименьшую из длин таких окрестностей. Тогда при достаточно большом я наверное будет пЪ^>Ь — а, а, стало быть, и подавно, п окрестностей указанного типа, примкнутых друг к другу, должны покрыть интервал (я, Ь), поскольку длина каждой из них не меньше, чем Б. Доказана ли этим конечность процесса? Попутно "было, ведь, предложено выбрать наименьшую из длин всех окрестностей, построенных согласно лемме для каждой точки х интервала (а, Ь). Но эти окрестности, так же как и точки интервала, образуют бесконечное множество, а из бесконечного множества окрестностей, вообще говоря, нельзя выбрать интервала и с наименьшей длиной и нельзя даже утвер- утверждать, что возможно выбрать положительное число S, меньшее длины каждой из бесконечного числа этих окрестностей. Достаточно рассмотреть случай, когда в рассматриваемом мно- множестве интервалов— окрестностей встречаются интервалы сколь угодно малой длины, как, например, в указанном выше гипоте- гипотетическом примере, когда длины окрестностей (а, аг), (а, а2), ... образуют геометрическую прогрессию. Таким образом, и здесь мы упираемся в ту же самую проблему: необходимо логически обосновать возможность ограничиться рассмотрением лишь конечного числа окрестностей. 2. Во всех подобного рода случаях это логическое обосно- обоснование может быть дано. Приведем здесь доказательство соот- 181
ветствующей общей теоремы, известной под названием леммы Б о р ел я-Ге йне. Лемма I. Пусть по какому-либо закону построено неко- некоторое (в общем случае бесконечное)множество S интерв 'лови, перекрыв пощих в совокупности весь интервал (а, Ь), т. е[ т ких, что всякая точка х интервала {а, Ь) лежит внутри по крайней мере одного из интервалов системы S. [Для кон- концов интервала (а, Ь) достаточно потребовать их принадлежности к одному из интервалов системы S]. При этих условиях из множества S молено выбрать конеч- конечное число интервалов в совокупности перекрывающих весь интервал (а, Ь) и притом, если угодно, образующих „цепочку", т. е. расположенных так, что каждый следующий интервал иш имеет общую часть с пре- предыдущим Uk (черт. 20). Доказательство. Мы можем начать построение некото- некоторой цепочки, и так как точка а, по условию, принадлежит одному из интервалов U системы Sy можем продолжать такое Черт. 20. построение и дальше. Допустим противное тому, что требуется доказать, т. е. допустим, что при любом последовательном выборе интервалов Uu ?/в, ... мы не в состоянии будем до- добраться до точки b с помощью конечной цепочки интервалов из системы S. Тогда, стало быть, некоторые близкие к а точки интервала будут принадлежать к классу достижимых с помощью конечной цепочки, а другие, например Ь9 — к классу недостиг жимых. Всякая точка интервала (а, Ь) принадлежит к одному из этих двух классов, все достижимые точки расположены левее всех недостижимых и, стало быть, мы имеем дело с сечением, про- произведенным по теореме непрерывности некоторым числом т [о точках вне интервала (я, Ь) можно, очевидно, при этом умол- умолчать; любители доводить педантизм до нелепости могут, впро- впрочем, присоединить числа, меньшие а, к левому, а числа, боль- большие Ь, к правому классу сечения]. Возможны два случая: у<Г^ и у = ^. Предположим, что у < Ь. По условию теоремы в системе S должен существовать интервал (г, г'), заключающий внутри себя точку у. По построению, всякая точка слева от у, в том чис^е и точка г, достижима. Поэтому можно выделить в системе S конечную цепочку интервалов Uit U^ ..., Uk, перекрывающих интервал (а, г). Присоединяя к этой цепочке интервал Uk+t=(r, г1), 162
мы перекроем конечной цепочкой также и интервал (а, г) вопреки допущению, что все точки л% лежащие справа от у, в том числе и точки интервала (Y, г')._ (п, г'), недостижимы. Аналогичное рассуждение доказывает, что и само число b не может быть первой недостижимой точкой у. Лемма, таким образом, доказана. 3, Применение ее к доказательству теоремы § 52, после про- проведенных выше на странице 181 рассуждений, не составляет затруднений. Ведь ее только и нехватало (с этим, надо думать, читатель охотно согласится). Лемма Бореля-Гейне позволяет провести аналогичным путем доказательство теорем следующего общего типа. Пусть известно, что 1) некоторое предложение Р имеет место для соответственно подобранной окрестности Ux каждой точки х интервала (а, Ь). Тогда это предложение Р будет верно и для всего интервала (а, Ь)> если только 2) из того обстоя- обстоятельства, что предложение Р имеет место для каждого звена конечной цепочки интервалов Uu ?/2, ..., Un, можно заключить, что оно верно для всего интервала, перекрываемого этой це- цепочкой. Другими словами, можно утверждать, что свойства, выра- выражаемые предложением Р, передающиеся при выполнении их для каждого звена конечной цепочки всей цепочке в целом и имею- имеющие место хотя бы в сколь угодно мглой окрестности каждой точки интервала {а, Ь), имеют место для всего интервала. Нетрудно видеть, что в доказательстве теоремы § 52 (а не обратно противоположной ей теоремы) мы идем по противопо- противоположному пути: свойство всего интервала [„в интервале {а, Ь) функция f(x) не сохраняет знака"] переносим в сколь угодно малую окрестность некоторой точки у интервала (а, Ь), кото- которая и является искомой. Это заключение о существовании точки, в любой окрест- окрестности которой имеет место некоторое предложение Q, можно провести в общем виде для всех таких предложений или свойств, которые, будучи верны для всего интервала, перекрытого не- некоторой конечной цепочкой ?/,, ?/2> ..., Uny должны быть верны по крайней мере для одного из ее звеньев. Можно, грубо говоря, сказать, что свойства типа Р пере- передаются от совокупности частей интервала целому интервалу, а свойства типа Q от целого интервала — по крайней мере одной из его частей. Это общее предложение о свойствах типа Q (в указанном выше смысле обратно противоположное лемме Бореля-Гейне),
называемое иногда леммой Больцано-Вейерш трасса), ми докажем в следующей формулировке, принадлежащей С. О. Ш а- ту новскому. Лемма 2. Если 1) некоторое предложение Q верно для всего интервала (а, Ь) и если 2) при всяком разбиении интервала, для которого Q верно, на конечное число частей предложение Q сохраняет силу по крайней мере для одной из частей, то в интервале (а, Ь) существует по крайней мере одна точка, в сколь угодно малых (необязательно во всех) окрестностях которой предложение Q имеет место. Допустив противное, мы придем к заключению, что для каждой точки х интервала (а, Ь) можно построить столь малую окрестность UX9 что ни для Ux, ни для какой-либо части Ux предложение Q не имеет места. Выбрав, по лемме Бореля- Гейне, конечную цепочку таких окрестностей, перекрывающих весь интервал (а, Ь)у мы придем к противоречию, так как, по условию, по крайней мере для одной из частей в соответ- соответствующем нашей цепочке разбиении интервала (ау Ь) на части должно иметь место предложение Q, вопреки положенному в основу построения свойству окрестностей Ux. Эту лемму можно доказать и прямым путем, применяя зна- знакомый уже нам метод деления промежутка. Тогда лемма Бо- реля Гейне может быть доказана от противного. Предоставляем и то и другое читателю. § 54. Теорема Вейерштрасса о предельной точке ограниченного множества. 1. Рассмотрим в качестве примера применения различных формулировок теоремы о непрерывности § 50, в частности, и лемм 1 и 2 § 53 известную теорему Вейерштрасса (Weierstrass) о существовании точки сгущения или предельной точки всякого бесконечного множества точек, лежащих в конечном интер- интервале (а, Ь). Напомним, что точка с называется точкой сгущения или предельной точкой множества Ж, если в любой окрестности (Л, В), где А<^с<^В, точки с находится неогр г ничейное коли- количество точек множества Ж. Например, для множества всех рациональных чисел всякое действительное число, согласно рассуждениям, проведенным на странице 169, будет точкой сгущения; для множества дробей вида п ( -1)" . 1 при п = 1, 2, 3, ... точками сгущения служат —1 П —J— 1 и f 1. Теорема (Вейерштрасса). Если все элементы х бесконеч- бесконечного множества М заключены в интервале {а, Ь), то в этом интервале существует по крайней мере одна точка сгущения множества М. Предложение Q, о котором речь идет в лемме 2 § 53, в дан- данном случае есть суждение „интервал содержит бесконечное ш
множество точек множества Ж". Такое свойство интервала должно при разбиении интервала на конечное число частей со- сохраняться ¦ по крайней мере для одной его части, и потому мы можем заключить по лемме 2 о существовании точки у, в сколь угодно малой окрестности которой заключено бесконечное количество элементов множества Ж. Это и будет, согласно определению, точка сгущения множества Ж. Вместо того чтобы применять лемму 2, можно было бы доказывать теорему от противного на основе леммы 1. Если ни одна точка х интервала не есть точка сгущения множества Ж то можно выделить окрестность Ux точки л~, заключающую разве что конечное число элементов Ж. Если ни одна точка интервала не есть предельная точка Ж, то, перекрыв по лемме 2 интервал конечной цепочкой окрестностей Ux указанного только что типа, мы найдем, что во всем интервале (а, Ь) может заключаться лишь конечное число элементов Ж, что противо- противоречит условию теоремы. 2. Наконец, эту же теорему можно доказать и непосред- непосредственно, отправляясь от теоремы § 50, рассматривая хотя бы переменную точку иу перемещающуюся от Ь к а с сохранением условия (свойство ?), что в интервале (а, и) содержится не- неограниченное число элементов множества Ж. Критическая точка у и будет искомой, так как в интервале (а, щ) при #,<^у содержится конечное, в интервале же (а, и,) при щ^>у, а, стало быть, и в интервале (и„ и2) — бесконечное число элементов мно- множества Ж. Читатель без труда переведет это построение на арифметический язык сечений. Заменяя непрерывное движение точки и рассмотрением дис- дискретных значений uv и2, ..., ип, мы приходим к построению, ана- аналогичному приведенному на страницах 179—180 и позволяющему находить приближенные значения у с любой степенью точности [в том случае, когда мы можем определять, в какой из частей интервала (ау Ь) при любом его разбиении на конечное число частей заключено бесконечное количество элементов мно- множества Ж]. В частности, при последовательном делении интер- интервала (а, Ь) пополам мы придем к доказательству той же тео- теоремы методом деления промежутка, основанному на теореме 1 и протекающему по схеме рассуждения на странице 179. В элементарном изложении путь непосредственного деления промежутка следует, конечно, предпочесть всякому иному. Можно даже производить деление сначала с помощью цело- целочисленных точек, затем выделенный единичный интервал делить вновь на 10 равных частей и т. д. Это приведет к представле- представлению искомого действительного числа у в форме бесконечной десятичной дроби. § 55. Теорема о равномерной непрерывности. В качестве приложений леммы Бореля-Гейне рассмотрим еще доказательство нескольких важнейших общих свойств непре- непрерывных функций. 185
Напомним сначала понятие о равномерной непрерывности функции в дайной области. Если f(x) непрерывна в точке х, то, по определению, или, что то же, коль скоро !/(*') х' — х Ь(е, „Достаточно малое" число 8 зависит в общем случае как от „сколь угодно малого" числа е, так и от рассматриваемого значения х- \ \ Так, например, для/(х) = — найдем при х =—]>0, что не- неравенство х X д р х а , или, что то же, двойное неравенство fl — e< v'<a будет выполнено при т. е. при а{а-\-в) а — 1 G За S(e, л;) придется, стало быть, принять меньшее из двух чисел и —> v , т. е. положить Как видим, зависимость этого числа от д; = — такова, что (X при одном и том же е число 8 придется выбирать тем меньшим, чем меньше значение х=:—. Определенное, например, для 1 е а \ = — число 8= —г- не будет уже пригодно для х=-7-. так Z ZlZ-hEJ " О как для обеспечения выполнения неравенства придется потребовать, чтобы было х' —— 3C Эти обстоятельства легко уяснить себе на графике, обратив внима- внимание на изменение наклона (крутизны) кривой у = — при умень- уменьшении \х\. х Во многих случаях, однако, нам приходится считаться с необ- необходимостью обеспечить выполнение неравенства 186
в уиюоиях, когда мы не можем заранее указать значения х и даже не можем ответить на вопрос, в какой части рассматри- рассматриваемого интернала (а, Ь) находятся числа а* и х1. С такой необходимостью приходится, например, считаться тогда, когда мы имеем дело с функцией y=f(x), связывающей значения переменной х, определяемые, скажем, путем фактиче- фактического производства измерения, со значениями интересующей нас переменной у, которые требуется вычислить по формуле y=f(x) с задтной степенью точности е. Связь между е и 8 в этом случае имеет следующий весьма конкретный смысл. Измерение дает вместо „истинного" значения х лишь при- приближенное значение х\ Спрашивается, какова должна быть точ- точность в измерении х, т. е. число ? в неравенстве для того, чтобы можно было гарантировать, что результат вы- вычисления f(x') отличается от „истинного" значения f(x) меньше, чем на е, т.е. j/M - /(*) IO Так как при этом мы не знаем точно значения х, а знаем лишь интервал, в котором могут находиться значения х и х\ то, очевидно, отвечая на этот вопрос, мы должны по дан- данному е найти К годное для любых пар значений х ъ х' q этом интервале. Для всех функций, относительно которых известно, что они непрерывны в каждой точке некоторого замкнутого интер- интервала (а, Ь), можно доказать принципиальную возможность для каждого е^>0 найти зависящее лишь от е и от вида функции значение % обеспечивающее для любых ппр значений х и х' из интервала (а, Ь), удовлетворяющих условию \х' — д:|<^8(е), вы- выполнение неравенства \f(x')—f(x)\<Ce. Это свойство известно под несколько неудачным названием „равномерной непрерывности" функции. Используя уже рассмотренный выше пример, мы можем ска- сказать, что непрерывная в разомкнутом интервале 0<^х^Ь функция = — не обладает в этом интервале свойством равномерной непрерывности, так как из соотношения 8(е, х)-+0 при л;- вытекает, как легко видеть, что годного для всех значений х в указанном интервале числа 8(е) найти нельзя. Если ограничить область изменения х замкнутым или разо- разомкнутым интервалом типа (а, C), где Р^>«^>0, то функция f(x) = — будет равномерно непрерывной в этом интервале. Действительно, так как 8(е, а)<[8(е, д;) при х^>а, то значение = 8(е, а) ш
будет и подавно (с избытком) пригодно для всего интервала (а, р), так что при любых значениях х' и х, больших а и удо- удовлетворяющих неравенству |х' — х|<8(е), будет обеспечено 1 1 выполнение требуемого неравенства е. Это число X X 8(е) одновременно характеризует степень точности, с которой надо определять значение х для того, чтобы приближенное зна- 1 чение —7 дроби — отличалось от истинного — не более чем на е, если про х и х' известно лишь, что оба эти числа лежат где-то в интервале (а, р). Мы и намерены доказать возможность такого „обеспечения" выполнения неравенства | f(x') —f(x) \ <d e для общего случая непрерывной в замкнутом интервале функции. Итак, речь идет о теореме. Теорема. Функция f{x), непрерывная в каждой точке замкнутого интервала (а, Ь), равномерно непрерывна в этом интервале. Доказательство. По определению непрерывности мы можем построить для каждой точки х интервала (а, Ь) такую окрестность х—8, x-f-8, что для всех точек этой окрестности будет выполнено неравенство !/(*)-/(*") |<«. В самом деле, здесь достаточно в общем определении непре- непрерывности функции в точке х выбрать 8(е, х) так, чтобы из неравенства \Х* — JC|<8(e, X) вытекало неравенство Если еще и \х" — *K8(E> *)* так что \f(x") мы и будем иметь Теперь читатель должен противостоять искушению выбрать наименьшее из всех 8(е, х) при изменении х в интервале (а, Ь). Таких дельт бесконечное число и, стало быть, мы попадаем впро- впросак так же, как и на странице 181. Поэтому лучше уже сразу применить лемму Бореля-Гейне и построить конечную цепочку интервалов U-t только что указанного типа X — 8(е, X), Х + 8(е, X), перекрывающую весь интервал {а, Ь) (черт. 21). 188
Интервалы Ux и ?/9 имеют общую часть (по определению цепочки"). Обозначим длину ее через 8,. Длина общей часта ГТ и U3 пусть будет 82 и т. д. Из конечного числа чисел -, К-1 мы выберем теперь наименьшее и обозначим его через 8. Черт. 21. При таком выборе 8, как нетрудно видеть, неравенство х' может выполняться только в том случае, если можно указать (по крайней мере один) интервал Uh которому принадлежат оба наела х' и х" одновременно. А поскольку интервалы Ut как раз и построены так, что для любых х' и х", лежащих одновременно в одном из Ui7 выпол- нено неравенство |/(*)-/(*»)!<¦. то этим и доказано, что выбранное нами 8 удовлетворяет по- поставленному требованию (возможно, что это не наивыгоднейший выбор 8 с точки зрения величины „допуска", но наиболее про- простой для общего доказательства). Значение доказанной теоремы с точки зрения теории опера- операций над действительными числами будет выяснено ниже (§ 72 и 79). § 56. Теорема Вейерштрасса о достижении непрерывной функцией своих точных границ. Из свойства равномерной непрерывности непосредственно вытекает ограниченность непрерывной в каждой точке замкну- замкнутого интервала^функции. Действительно, рассмотрев хотя бы построенную выше цепочку Uu ?/2, ..., Um мы найдем, что уклонение f(x) от f(a) на протяжении всего интервала (а, Ь) не может превышать числа яе, так что при а^х^Ь /(а) — пг <f(x)<Cf(a) + пв. Множество значений, принимаемых непрерывной функцией в замкнутом интервале, таким образом, оказывается ограничен- ограниченным. Оно имеет, стало быть, по доказанному на странице 175 точную нижнюю и точную верхнюю границы Yi и 7а> так что для всех х в (a, b) ^ причем промежуток {ju ya) нельзя уже заменить меньшим. 189
Границы Yj и у2, как мы видели, в общем случае достигаться, могут и не достигаться. Для непрерывных функций молено, однако, доказать долгое вречя также принимавшееся без строго арифметического обосно- обоснования предложение о достижении точных границ, впервые дока- доказанное В^йерштрассом и носящее его имя. Теорема Вейерштрасса. Функция, непрерывная в каж- каждой точке замкнутого интервала {а, Ь), достигает в нем свое точной нижней и своей точной верхней границы, т. е. ствует такое значение хи для коюрого и такое значение л;2, для которого /Ю = Те- ¦ Проще всего доказывается это предложение от противного. Действительно, если /(х) ньгде не принимает значения уи го, как легко показать, функция —Ti будет непрерывной в каждой точке интервала (я, Ь) и, следо- следовательно, по доказанному выше, должна бы.ь огр ни енноа в этом интервале. Последнее, однако, не возм г лю, так ~к, и опре ,елению очной ннжне границы, интерна" (а, ») иай"_) ich значения хл для которых значения /"(л) сколь угоОно близки к Гц а, стало быть, значения дроби-хе ч -сколь уг эдно велики f(x) — Ti Тр о1 ание замкнутости интервала (а9 Ь) нгрчет з^гсь су ществеи-ую роль, так как Yi и у2 могут ^^^тигаться »л колц|4 интс^ь^ла (а, Ь). Аналогично, пример ^}нкц/и /(") = --,опр • х "нгэй и непрерывной гля в прари1т-чых п^чожит-ль. пг>кпзыб , что ра, ><гн т. х ин )в 3 гв м ние огр *ни енности \ -г w i в а ин^ р .:ции в о ^щс сл^ ч _ ю _ ui тьс* рным. То w »т и к теорег ^ о рав1 ог „рной непрерывности. § 57. З^меч' кия о теоре11*^ существования. * 1. Отьосит ль ю ^^ка. ны гш tjo^lm сле!у<-Т заметит е. Рее о in ян.] тся к ^^ ^.а^* " и тс- ~ Y v/7. ' ~чния и отнюдь н * прссл^т "от цепи ук° -ять, г и <- .дует нало [.игь исг.о iOv ю, ^ щ^сть, ijb; гея. В инь в ^амый ход док.. roie UOCE HL. 1 Л ОТ I II дти-очного выч _"ения с {.астат ст —о л к< мы ог течали уж -ыт"л. О—ак), )щ° го ^я, в^пр, ^ Э1 "кгмгнои нахождении искомого чис„ .i со з?"пч1 со clm ино.о р\ м ^ли tol^j. л ^тво ния и решатся иным путс т 1С
Характерным примером 1акого взаимоотношения этих дву> проблем может служить приведенное выше доказательство теоремы Вейерштрасса о достижении точных границ непре- непрерывной функцией. Как известно, ш тоды нахождения экстре- экстремальных значений основаны на совершенно иных npi емах. Про- Проведенное выше от протисн )го доказательство существования не имеет к н ш никакого отношегия. Правда, можно было бы — предоставляем ото в виде упра кнения читателю — провести дока- я?т ^льство и этой теор *\ш всеми теми методами, котопыс мы проанализировали выше на примере теоремы § 54. В частности, можно оыло притти и к теоретической конструкции, опреде- определяющей искомое число с люб й степенью точности, одч^ко и этот метод практически не можот итти в сравнение с теми которые разрабатываются с соответствующей специальной целью (используют аппарат дифер< нциального исчисления и т. д.). Поэтому в доказательствах существования часто и не стре- стремятся к тому, чтобы лритти к эффективной конструкции, а вы- биратот наииолее простой путь теоретического рассуждения, ведущий к заключению теоремы. Не следуот, одчако, на этом основании недооценгтть зна- значения общих теорем сушгетг ~ания искомого объекта. Эти теоре .ы, во-перврх, ус °"огзлх1г"^ от весьма важные свойства изучаемчх объектов (миоу\ лупкжиы и т. д.), а, bj-втопых, могут счу:чит основой длг нгйшил построений, прес. *ю- щах цели нахоэг^^н^ч ~ *~ елг пни. Этот последний 1лут \ и" ;то и в яопросе об 3tcctj малы ьг* зпач ниях ф .ж. цни. d iue до: ire. ьство сп эть^т- ствующпх теор^л д! нц,11.ль"ого исчисления основ_~аетг« ' б^чно :ак ппз на Tt jml <, 2. П HBv л м ^i" "ди i пр ^^ довольно общего ларакгерас ОДИ.1 Ио ПрОСТОЬтПИ ~ 1ЫХ nDHL.JO Д р0Га^Нт1Я К1 алг **~ ~ ^^.. т^ г* сг 'iTh p ^н^» и (a Ti. и и ~ ч) — м. юлит r> jui чи яс" тс ъних приоли- жении — i рот» кает по следующей оемс. Г'усть, ск~' м н; решите у равнение х _ V3 j Возьмем произвольное значение х и )ста°им последова тельность Если сущест ует прец А зто\ погле^ивательности, так ,гс п~+ п то этот предел / наверное до ^н 6l ть корнем уравнения как это неп *с^т;г- ~чно выте гт путем щ г. го пзреходг пр , п—>ооиз шсления х = jc3 - - 1 J9
Для того чтобы выяснить, пригоден ли этот метод для 'решения предложенного кубического уравнения, необходимо таким образом, прежде всего дать ответ на вопрос о существо- существовании предела последовательности хп при том или ином выборе начального значения л;0. Примеров такого рода применения теорем существования в математике очень много. 3. Отметим еще одну сторону дела. Вопрос о смысле общих доказательств существования, не включающих эффективного построения искомого объекта, в настоящее время приобрел осо- особую остроту в связи с тем направлением методологической критики, о котором мы говорили в главе I (§ 15). В построении системы действительных чисел мы позволяем себе говорить о „всех возможных разбиениях всех рациональ- рациональных чисел на два класса так, что и т. д.", о „всех возможных разбиениях всех действительных чисел на два класса так, что и т. д.", доказываем существование действительных чисел, при- применяя „бесконечное число раз" к совокупностям, составленным из „бесконечного числа" действительных чисел, закон исклю- исключенного третьего (ср., например, деление промежутка для доказа- доказательства теоремы § 54). Используя, однако, приемы того же типа, что и на страницах 32 и 14 (пример 6), можно без труда по- построить такие функции и такие множества точек, для которых, например, решение вопроса о том, в какой половине интервала (а, Ь) заключается неограниченное число элементов множества, представляет собой неразрешенную проблему типа tertiuni (стр.36). Построения, основанные на методе деления промежутка, теряют в применении к таким объектам эффективность, так как уже первая стадия построения не может быть фактически осу ществлена. Естественно, что с точки зрения финитистов такого рода доказательства приходится признать нагромождением незакон- незаконных методов рассуждения, теоремы существования в их общей формулировке неверными и во всяком случае имеющими не тот смысл, на который они претендуют, и вообще всю теорию ну- нуждающейся в коренной переработке и замене системой суждений, имеющих финитный эффективный смысл. Если и не становиться на такую точку зрения, то во всяком случае в теории действительных чисел в особенности прихо- приходится считаться с необходимостью доказывать непротиворечи- непротиворечивость и выяснять смысл логических построений, оперирующих с бесконечными множествами так, как будто это — законченные конечные множества* все элементы которых можно пересмо- пересмотреть, перебрать один за другим (см. литературу, указанную на стр. 17 и 38). § 58. Всюду плотные множества и их сечения. 1. В § 50 было доказано, что всякое сечение в области дей- действительных чисел производится действительным числом. При доказательстве мы исходили из определения действительного числа с помощью сечения, произведенного в области рациональ- 192
ных чисел. Мы можем, поэтому, сказать, что для осуществления расширения первоначальной числовой системы, необходимого для получения непрерывной числовой области действительных чисел, нам достаточно ввести в рассмотрение все сечения в области всех рациональных чисел. Однако при определении действительных чисел рассматри- рассматривать непременно все рациональные числа нет необходимости. Позволим себе для уяснения сути дела прибегнуть к гео- геометрической иллюстрации. Определяя действительное число а сечением в области рациональных чисел, мы непосредственно фиксируем скалярное положение отрезка длины а по отношению ко всем отрезкам, соизмеримым с единицей меры. Точки с рацио- рациональными абсциссами на геометрической прямой или, что то же, на числовой прямой действительных чисел играют, таким обра- образом, роль системы вех, настолько густой, что указание поло- положения конца отрезка по отношению ко всем этим вехам (сече- (сечение) достаточно для однозначного определения отрезка. Совершенно ясно, что ту же роль могут играть и другие, более экономные по составу, но все же достаточно густые системы вех. Достаточная густота будет при этом, очевидно, характеризоваться требованием, чтобы между концами двух любых различных отрезков помещалась по крайней мере одна вешка. Тогда эти отрезки можно будет отличать друг от друга по различию скалярного расположения их концов в отношении этой вешки. Другими словами, длина всякого отрезка опреде- определится сечением, произведенным в системе чисел, отнесенных вешкам системы. Требование, налагаемое на систему вех в арифметических терминах, может быть формулировано так: мы должны иметь в распоряжении систему чисел S, обладающую тем свойством, что между всякими двумя действительными числами а и р^=« можно вставить хоть одно число (а, следовательно, и бесконеч- бесконечное множество чисел) системы S. Такое множество чисел S, элементы которого найдутся в любом интервале (а, C), называется всюду плотным на число- числовой прямой действительных чисел или, просто, всюду плотным. Такая система чисел S может состоять и из иррациональных чисел, например рациональных кратных числа ~|/2> т. е. чисел т г- типа 1/9 и т. п. п у z Примечание. Не всякое плотное в себе множество, т. е. такое, между Дьумя элементами которого содержится элемент того же множества, будет всюду плотным. В качестве примера небезынтересно рассмотреть множество чисел, получающихся, если каждую двоичную систематическую дробь рассматри- рассматривать, как число, записанное в системе счисления с большим основанием, скажем, в троичной или десятичной системе счисления. В последнем случае мы имеем, стало быть, дело просто со всеми десятичными дробями, в представлении Которых участвуют лишь цифры 0 и 1. Множество это, очевидно, плотное в себе, оставляет, однако, на числовой прямой целые интервалы свободными от своих точек. Можно даже показать, что такое множество ни в одном интервале не будет всюду плотным. Представляем детали доказательства и выяснение гео- геометрической картины распределения точек таких множеств на числовой прямой Читателю. 13 Теоретическая арифметика—1747 193
Итак, возвращаясь к нашей основной теме, мы можем форму .пировать следующее предложение. Теорема. Всякое действительное число однозначно опре- определяется своим положением относительно элементов любого всюду плотного множества S (т. е. может быть определено сечением, произведенным в этом множестве). Доказательство повторяет, по существу, изложенные выше геометрические соображения. Всякое действительное число а не входящее во множество 5, разбивает элементы последнего на два класса: 1) класс чисел из 5, меньших а, и 2) класс чисел из S, больших а. Для двух различных действительных чисел а и р эти классы не могут совпадать, так как, по определению всюду плотного множества, между аир найдутся числа системы 5. Аналогичное верно и по отношению к классам сечений, произ- производимых во множестве S элементами самого множества 5, при- причем число, производящее такое сечение, может принадлежать любому из двух классов сечения. Легко видеть, что, исходя из такой системы S, мы можем строить систему действительных чисел так же, как и исходя кз системы рациональных чисел, с той лишь разницей, что слово „рациональный" следует всюду заменить словами „принадле- „принадлежащий системе S". При этом, в частности, и все рациональные числа, не вхо- входившие в систему S, будут определяться наравне с остальными действительными числами, сечениями в системе S. Доказательство теоремы непрерывности § 50 сохраняет свою силу и при таком введении действительных чисел и получается из рассуждений, проведенных на страницах 172—173 с помощью только что указанной замены терминов. 2. Для первичного введения иррациональных чисел пригодны, разумеется, лишь всюду плотные множества S, состоящие только из рациональных чисел. Так, например, можно ввести все недостающие рациональ- рациональные и все иррациональные числа, исходя из системы S всех конечных двоичных дробей, т. е. дробей со знаменателем, равные степени двойки. Этим можно, например, воспользоваться для того, чтобь значение показательной функции Аа при всех рациональных и иррациональных значениях а определить с помощью значений As той же функции для показателей, могущих быть предста- представленными в виде двоичной дроби. Для таких значений 5 число А* может быть вычислено с помощью последовательных операций извлечения квадратного корня, умножения и деления. Ту же роль для построения системы действительных чисе. может играть и всякая другая система всех конечных система тических дробей в любой системе счисления. В частности, для построения вполне строгой теории ирра- иррациональных чисел можно воспользоваться, как исходной, систс мой конечных десятичных дробей. 194
Другой пример дает множество S всех чисел вида П ti ft 11 Г7 У1 причем есть фиксированная последовательность возрастающих целых чисел, k — произвольно, числители at — произвольные натураль- натуральные числа, соответственно меньшие, чем п?. Предоставляем читателю доказать, что это множество всюду плотное. Полагая /г, = .. , = nk = 2 или 10, мы приходим к предыдущим случаям. § 59. Основная лемма. 1. Сделаем еще один существенный шаг по пути сокращения необходимых для определения действительного числа данных. Поскольку основная роль классов А и А' сечений в системе рациональных чисел или в всюду плотном множестве S заклю- заключается в определении скалярного положения определяемого действительного числа а по отношению к исходной скалярной системе рациональных чисел или элементов множества 5, по- постольку нет необходимости в том, чтобы в классах А и А1 рас- рассматривать числа, далеко отстоящие от числа а. Достаточно, чтобы в классах А и А1 были представлены числа, сколь угодно близкие к определяемому числу справа и слева. Этим будет однозначно зафиксировано положение числа а по отношению ко всем элементам исходной всюду плотной скалярной системы, а потому и по отношению ко всем остальным действительным числам. Формулируем точнее и докажем соответствующее предло- предложение, которое мы будем в дальнейшем называть основной леммой. Лемма. Если имеются два таких класса R и R' (рациональ- (рациональных) чисел, что 1) ни одно из чисел rczR не превосходит ни одного из чисел r'czR, так что 2) в классах R и R' существуют неравные друг другу числа г и г1, сколь угодно мало отличающиеся друг от друга, так что для любого е]>0 можно указать rczR и r'czR' такие, что 0<г'_г<е, то существует одно и только одно действительное число а удовлетворяющее неравенствам при любых г и г1 из классов R и R1 195
Нетрудно, прежде всего, доказать, что если такое число существует, то оно может быть только одно. Действительно, допуская, что еще и а<СР» мы сможем, согласно с определением, данным на стра- странице 169, вставить между аир одно, а, стало быть, и два рацио- рациональных числа ql и q2 так, что Из неравенств б\дет, однако, следовать а так как разность г' — г, по условию, может быть сделана сколь угодно малой, то Яъ Я\ где е — произвольно, что возможно лишь, если вопреки построению. Стало быть, а = Мы здесь избегали рассмотрения разности р — а, так как действий над иррациональными числами мы пока еще не опре- определяли. Что касается существования числа а, то тут проще всего воспользоваться доказанным в § 51 существованием точной верхней границы множества элементов класса /?. Эта точная граница а как раз и удовлетворяет требуемым неравенствам: она не меньше любого из г и, во всяком случае, не больше любого из г', ибо в противном случае между г' и а не было бы ни одного r<zzR, вопреки определению точной верхней границы. Можно провести доказательство и непосредственно, не опи- опираясь на понятие точной верхней границы, построив дедекин- дово сечение (А, А') всех рациональных чисел так, чтобы оно определяло искомое число а. С этой целью достаточно будет отнести к классу А все рациональные числа, которые меньше всех чисел класса R\ и к классу А' — все остальные рациональ- рациональные числа. Так как всякое г, входящее в /?, меньше всех г, то оно, по определению, входит в класс А и потому г^а. Так как, аналогично, всякое г\ входящее в /?', по определению, входит в класс А\ то а^г'. При этом мы исключили из рас- рассмотрения тривиальный случай, когда существует (по указан- указанному выше, единственная) пара совпадающих между собой чисел г и г. Их общее значение и будет в этом случае искомым числом а. Примечание. 1. Все условия леммы, как мы показали в § 50, выпол- выполнены, если R и R' суть классы некоторого дедекиндова сечения, т. с. обнимают в совокупности все рациональные числа. То же утверждение имеет место и в том случае, когда R и R' — классы сечения, произведенного в всюду плотном множестве S. 196
Примечание 2. В классах R и R' достаточно сохранить лишь те числа, которые лежат в сколь угодно малом (рациональном) интервале (Д В), за- заключающем внутри себя число а. Действительно, взяв два рациональных числа qx и q* так, чтобы было А <С qt <C a <.q* <.B, и обозначая наибольшую из разностей qx — А и B — q» через В, мы найдем, что неравенство г' — г<о несовместимо с условием, чтобы одно или оба числа г и г' лежали вне интервала (Д В), в частях классов, R и R', лежащих внутри (А, В) сохранены поэтому сколь угодно мало отличающиеся друг от друга пары чисел г и г'. Для этих частей классов R и R' выполняются, таким образом, условия доказанной леммы. 2. Для дальнейшего существенно установить критерии равен- равенства и неравенства действительных чисел аир, определенных соответственно классами R и R' и Ти Т\ согласно тексту леммы. Если а<С?> то можно выбрать рациональные числа А, В и С так, чтобы было Согласно только что сделанному примечанию % в интервале (Л, В) должны найтись некоторые г' из класса /?', а в интервале (В, С) некоторые t из класса Т, так, что Это означает, что при а<СР найдутся такие г' класса R\ которые меньше некоторых t класса Тш Верхний класс R для а и нижний класс Т для р, таким образом, захватывают друг друга в этом смысле слова (хотя, может быть, и не имеют общих элементов). Это соотношение между классами является аналогичным указанной на странице 169 схеме, имеющей место для того случая, когда а и р определены сечениями, включаю- включающими все рациональные числа. В случае равенства а = р, очевидно, все г меньше всех f к все t меньше всех г'. Рассмотренные критерии и устанавливают скалярное распо- расположение действительных чисел аир, заданных классами чисел, удовлетворяющих условиям леммы. 3. Основная лемма представляет собой весьма простое и ясное по смыслу вспомогательное предложение, которое быстро при- приводит к цели при установлении основных операций над действи- действительными числами и притом не только в самой теории Деде- кинда, айв близких с ней построениях, нередко применяемых в элементарном преподавании ради избежания логически про- простейшего, но несколько пугающего своей абстрактностью и ярко выраженным логическим характером понятия о сечении. К числу таких построений относятся: 1) теория двусторон- двусторонних последовательностей и 2) имеющая с ней много точек соприкосновения теория бесконечных десятичных дробей. Рассмотрим, как ставится вопрос об определении иррацио- иррациональны:: чисел в этих теориях. 60. Двойные последовательности и бесконечные десятичные дроби. 1. В теории двойных последовательностей каждое действи- действительное число определяется с помощью двух последователь- 197
ностей рациональных чисел я„ я2, ..., аП9 ... и Ьи й3, -... 6П> ... из которых первая — монотонно-возрастающая (не убывающая)' а вторая — монотонно-убывающая (не возрастающая), причем все элементы первой меньше всех элементов второй, а разность Ьп— ап стремится к нулю с возрастанием п. Таким образом, а1 ^ я2 <с... ^ ап ^ яп+1 ==с... ^ Ьп+1 ^ Ъп ^... ==с Ъг ^ Ъх —аЛ)=0. со Можно также сказать, что мы имеем дело с последователь- последовательностью вложенных друг в друга интервалов (яя. ьп), длина которых стремится к нулю, В силу основной леммы § 58, всякая такая последователь- последовательность определяет одно и только одно действительное число *у, удовлетворяющее неравенствам при всяком /г, т. е, принадлежащее каждому из интервалов п Это предложение иногда называют принципом вложенных интервалов Кантора. Обратно, всякое действительное число может быть опреде- определено с помощью двух последовательностей рассматриваемого типа. Это вытекает из рассуждений, приведенных в § 50. При- Применяя метод деления какого-либо промежутка (аи #,), в котором заведомо заключено определяемое число ?, т. е. деля (al9 bx) пополам и обозначая через (а3> Ь^) ту из половин первоначаль- первоначального интервала, в которой заключено число 7» и продолжая так далее, мы найдем п и, стало быть, числа ап и Ьп определяют число 7 B указанном здесь смысле слова, соответствующем тексту основной леммы. 2. В первичном построении теории иррациональных чисел с помощью двойных последовательностей, по определению, каждая пара таких последовательностей определяет действительное число, причем соотношения равенства и неравенства вводимых чисел устанавливаются соответственно критерию, рассмотренному в конце § 59, также с помощью соответствующих определений- Доказываемые нами здесь теоремы служат, таким образом, лишь для того, чтобы установить возможность такого построения теории действительных чисел и эквивалентность ее теории Дедекинда. Числа ап и Ьп можно рассматривать как приближенные зна- значения действительного числа у с недостатком и с избытком, 198
причем с возрастанием п числа ап и Ъп выражают ? все точнее и точнее, с погрешностью, не превышающей разности "п а п> стремящейся к нулю при /г->оо. Простота этой связи между числами -у и элементами опреде- определяющих его последовательностей и является положительной стороной рассматриваемого метода введения иррациональных чисел. Следует отметить, что такие двойные последовательности рассматривались еще в 1668 году английским математиком Гре- Грегори (Gregory), в эпоху, когда приближенные вычисления со все возрастающей степенью точности и пользование бесконечными процессами стали приобретать права гражданства в арифметике. Около того же времени основоположник теории логарифмов Н е п ё р (Napier) установил и правила, согласно которым действия над иррациональными количествами сводятся к производству соответствующих операций над их приближениями. С технической стороны оперирование с иррациональными числами, таким образом, не представляло уже тогда принципи- принципиальных затруднений; однако для построения отчетливой логиче- логической теории отдельных технических правил было мало, и позже, когда строгое обоснование общих предложений анализа стало уже необходимостью, Дедекинду все еще приходилось иметь дело (в 1858 гиду!) с отмеченной уже выше методологической запутанностью вопроса, в которой еще очень нелегко было от- отделить логические и арифметические понятия от наглядных гео- геометрических представлений. 3. Вторая теория—бесконечных десятичных дробей—в извест- известной мере может рассматриваться как частный случай предыду- предыдущей, если иметь в виду определение действительного числа с помощью его десятичных приближений с недостатком и с из- избытком с возрастающей степенью точности. Действительно, обозначая через с0 целую часть, а через с19 с2, сЪУ ... первую, вторую и т. д. цифры в десятичных дробях, выражающих определяемое действительное число с точностью 1 1 до in» Тип' ••• и т- Д- с недостатком, мы можем сказать, что в этом случае действительное число определяется с помощью двух последовательностей «я—l И h — г -L -^2 -к -C"zL _L Сп~ ип ° ' in """ 10" 10Л Элементы первой, т. е. числа ап, с возрастанием числа п воз- возрастают (не убывают), оставаясь меньше всех элементов второй, не возрастающей, последовательности приближений с избытком. 199
При этом разность , 1 ®п &л Тл Служащая для оценки погрешности, неограниченно убывает с уве- увеличением числа знаков п в дробях ап и Ьп. Нетрудно, далее, показать, что, вообще, при любом выборе целого числа d в качестве основания системы счисления, всякое действительное число может быть определено с помощью двух последовательностей типа Сп~\ } Сп dn-\ Т dn у Сп-\ [_ ?п: 1 dn-lY~ ~dn где при t=l, 2, 3, ... В самом деле, если действительное число а определено сече- сечением (Л, Л1) области рациональных чисел, то мы можем найти два последовательных целых числа и принадлежащие различным классам этого сечения, затем, деля интервал (с0, ^*0 —|— 1) на d равных частей, два числа принадлежащих снова различным классам, и т. д. Система чисел ап и bni так построенная, удовлетворяет тре- требованиям основной леммы § 59 и определяет единственное дей- действительное число 7» удовлетворяющее неравенствам пп^-^^Ьп. Так как, в силу условий апс^А и bn(zzA', число а, определенное сечением (Л, А'), должно удовлетворять тем же неравенствам, то отсюда и вытекает, что число 7 совпадает с числом, опреде- определенным сечением (Л, А'). Подробнее останавливаться на теориях двусторонних после- последовательностей мы не будем, так как аналогичное и притом более общее построение встретится нам ниже при рассмотрении теории сходящихся последовательностей Кантора. Изложение теории двойных последовательностей читатель может найти в курсе теоретической арифметики Ф е р б е р а (см. также Г и б ш, „Элементарная математика"), а теорию бесконечных десятич- десятичных дробей — в курсе „Введение в анализ" Селиванова. § Ы. Основные операции в области действительных чисел. Заметим предварительно следующее. Если мы имеем дело с монотонной функцией одной илиг вообще, нескольких рациональных аргументов, скажем, с моно- монотонно возрастающей относительно каждого своего аргумента функцией г, J V/ 9 • • ¦ J 200
то естественно потребовать при обобщении определения этой функции на действительные значения аргументов, чтобы проме- промежуточным между данными рациональными числами г, ..., t и г1 у ..., ? действительным значениям а, ..., р соответствовало промежуточное между s=/(r, ...,?) и s'=f(r\ ..., t') значе- значение 7=f(a, ..., р). Числа s и s' мы сможем здесь рассматривать как приближения у с любой степенью точности, если разность s' — s может быть сделана сколь угодно малой за счет доста- достаточной малости разностей г'—г, ..., t — t, т. е. за счет доста- достаточной близости приближений г, ...^и/,..., t к определяе- определяемым им числам аэ ..., р. Для всякой монотонной функции /, для которой будет доказано это последнее предложение, выражаю- выражающее свойство равномерной непрерывности функции / для рацио- рациональных значений аргументов, мы сможем, стало быть, опираясь на основную лемму § 59, определить число «. --> Р) как единственное число, удовлетворяющее неравенствам при условиях Это определ